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Antennenanordnung mit bevorzugter Bodenstrahlung Es ist bekannt, daß
die sogenannten Schwunderscheinungen beim Empfang einer Sendestation durch Interferenzerscheinungen
zwischen der Bodenwelle und der Raumwelle zustande kommen, d. h. zwischen der im
wesentlichen horizontal von der Sendeantenne ausgegangenen Strahlung und der unter
einem höheren Erhebungswinkel ausgegangenen und an der Kenelly-Heaviside-Schicht
reflektierten und demnach auf einen Umweg zum Empfänger gelangten Strahlung.
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Auf Grund dieser Erkenntnis hat man versucht, Antennenformen zu finden,
welche eine bevorzugte Ausstrahlung in der Horizontalen bewirken und eine möglichst
geringe Ausstrahlung innerhalb eines bestimmten kritischen Winkelbereiches aufweisen.
Man hat festgestellt, daß es für die Ausdehnung des von einem bestimmten Sender
mit praktisch schwundfreiem Empfang versorgten Gebietes darauf ankommt, die Abstrahlung
innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches zu vermindern (B r ü c k m a n n : »
Antennen, ihre Theorie und Technik«, 1939, S. 273 bis z77).
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Es sind auch Antennenformen entwickelt worden, welche bei einer Bevorzugung
der Bodenstrahlung innerhalb des erwähnten Winkelbereiches, in dem die Abstrahlung
möglichst klein gehalten werden soll, eine Nullstelle des Vertikalstrahlungsdiagramms
aufweisen, d. h. des in einer durch die Antennenachse gehenden Vertikalebene aufgenommenen
Strahlungsdiagrammes. Eine solche Antenne
kann beispielsweise aus
einem linearen, vertikalen Strahler bestehen, dessen Länge ungefähr gleich der halben
Betriebswellenlänge ist. Er wird derartig erregt, daß an eirner zwischen den Strahlerenden
gelegenen Stelle in einem gewissen Abstand über dem Erdboden, ein Stromknoten liegt
(L. B e r gm an n und H. L as s en : »Ausstrahlung, Ausbreitung und Aufnahme elektromagnetischer
Wellen«, 1940 S.91).
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Eine andere bekannte Antennenform hat eine ähnliche Wirkung hinsichtlich
der Schwundverminderung und besteht aus wenigstens einer in geeigneter Höhe über
dem Erdboden angebrachten Dipolantenne, deren Strahlerteile in der üblichen Weise
derartig erregt werden, daß zwischen den Enden der Strahlerteile keine Stromkrioten
auftreten, sondern sich Stromknoten nur an den Strahlerenden ausbilden (Be r g m
a n n und L a s. s e n: : »Ausstrahlung ... «, S. 93 und 94). Bei dieser
Antennenform läßt sich durch Wahl der Höhe der Dipolmitte über dem Erdboden der
Erhebungswinkel bestimmen, unter welchem im Vertikalstrahlungsdiagramm eine Nullstelle
auftritt. Eine nach diesem Grundsatz aufgebaute Antennenanordnung mit mehreren übereinander
angeordneten Teilantennen in Dipolform ist in der Patentschrift 579 999 beschrieben.
Dabei ist vorgesehen, zur Verbesserung der Strahlungskonzentration in der Horizontalebene
durch Abstimm- und Kopplungsglieder Phase und Amplitude der Ströme in den Teilantennen
veränderbar zu machen.
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Eine andere gleichfalls bekannte Antennenform ist im wesentlichen
aus zwei linearen, vertikalen Strahlerteilen zusammengesetzt, die übereinander angeordnet
sind. Beide Strahlerteile sind ungefähr i/z lang und werden von der Mitte her mit
gleichphasigem Strom derartig erregt, daß zwischen den Enden der Strahlerteile keine
Stromknoten auftreten, wobei Mittel vorgesehen sind, um das Verhältnis der Stromstärken
auf den beiden Strahlerteilen einstellbar zu machen. Durch die Wahl eines geeigneten
Verhältnisses der beiden Ströme läßt sich der Erhebungswinkel innerhalb gewisser
Grenzen bestimmen, unter welchem im Vertikalstrahlungsdiagramm eine Nullstelle auftritt
(Proceedings of the I. R. E., NOV. 1948, S. 1426 bis 1431).
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Bei den erwähnten bekannten Antennenformen wurde innerhalb des Winkelbereiches,
in welchem die Abstrahlung nach Möglichkeit ganz unterdrückt werden sollte, eine
einzige Nullstelle erzielt. Olyerhadb dieser Nullstelle trat aber ein Nebenmaximum
der Strahlung von beachtlicher Stärke auf. Es ist daher verständlich, daß durch
diese bekannten Antennenformen wohl eine Verminderung, aber noch keine gänzliche
oder wenigstens praktische Unterdrückung der Schwunderscheinungen erzielt werden
konnte.
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Durch die Erfindung wird eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich
der Unterdrückung der Strahlung innerhalb des bestimmten kritischen Winkelbereiches
erzielt. Da innerhalb dieses Winkelbereiches und auch oberhalb desselben eine wesentliche
Verminderung der Abstrahlung bewiTkt wird, ergibt sich gleichzeitig eine erwünschte
Verbesserung der Bündelung in der Horizontalebene. In einer Antennenanordnung zur
bevorzugten Bodenstrahlung, die aus zwei vertikalen, übereinander angeordneten und
von der Mitte aus gleichphasig gespeisten Strahlerteilen besteht, sollen erfindungsgemäß
die Strahlerteile derartig bemessen und angeordnet sein, daß sich auf ihnen in einem
bestimmten elektrischen Abstand vom Speisepunkt, der größer als Null und kleiner
als @/4 (? = Betriebswellenlänge) ist, jeweils ein Stromknoten ausbildet; daß ferner
die vom Speisepunkt jenseits der genannten Stromknoten liegenden Strahlerlängen
el@ekfiri:sch rächt länger sind als d/2 und .daß vom unterem, in. Erdnähe befindlichen.
Ende des unteren Strahlerteiles ein endhicher, vorzugsweise einstellbarer Strom
zur Erde fließt.
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Durch die angegebene Bemessung und Anordnung der Strahlerteile einer
nach der Erfindung ausgebildeten Antennenanordnung werden innerhalb des Winkelbereiches
zwischen o und 9o° im Vertikalstrahlungsdiagramm zwei Nullstellen ausgebildet, welche
so gelegt werden können, daß sie in der Nähe der Grenzen desjenigen Winkelbereiches
auftreten, in welchem die Strahlung möglichst-gering gehalten werden soll. Der Kurvenverlauf
im Vertikalstrahlungsdiagramm zeigt dann in dem zwischen den beiden Nullstellen
liegenden Bereich und außerhalb dieses Bereiches in der Nachbarschaft der Nullstellen
einen so flachen, der Nullinie angeschmiegten Verlauf, daß die innerhalb des kritischen
Winkelbereiches ausgestrahlte Energie sich als besonders gering erweist. - Die angegebene
Stromverteilung mit zwei zwischen den Endpunkten der Strahlerteile ausgebildeten
Stromknoten würde eine gewisse Verlängerung der Strahlerteile gegenüber den entsprechenden
Längen sogenannter Ganzwellendipole bedingen. Diese in vielen Fällen unerwünschte
Verlängerung kann durch die angegebene Anordnung des unteren Strahlerteiles in derartiger
Erdnähe, daß von seinem unteren Ende ein wesentlicher Strom zur Erde fließt, wenigstens
zum Teil oder vollständig wieder ausgeglichen werden. Der untere Strahlerteil kann
dann wesentlich kürzer ausgebildet sein, als wenn unterhalb des Stromknotens auf
dem Strahlerteil eine volle Halbwelle des Stromes vorhanden wäre. Da das untere
Ende des unteren Strahlerteiles im allgemeinen den Fußpunkt der Mastkonstruktion
bildet, kommt die angegebene Einhaltung eines wesentlichen Erdstromes den konstruktiven
Erfordernissen an dieser Stelle in günstiger Weise entgegen. Man kann beispielsweise
für den Fußpunktsisolator die tragenden Querschnitte reichlicher als sonst bemessen.
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Die Anpassungsfähigkeit der Antennenanordnung an die jeweils vorliegenden
Versorgungsaufgaben wird noch erweitert, wenn man die Knotenstellen des Stromes
auf den beiden Strahlerteilen, vorzugsweise aber wenigstens auf dem unteren Strahler,
veränderbar macht. Zu diesem Zweck kann der natürlichen Fußpunktskapazität ein vorzugsweise
einstellbarer
Kondensator parallel geschaltet sein, durch den die Größe des Erdstromes verändert
und damit auch der Kurvenverlauf auf dem unteren Strahler verschoben werden kann.
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In Abb. i ist eine schematische Darstellung einer Antennenanordnung
gemäß der Erfindung gegeben. Der untere Strahlerteil ist mit i, der obere mit 2
bezeichnet. Auf den Strahlern ist die Strombelegung durch die schraffierten Flächen
angedeutet. Man erkennt, daß von der Mitte aus auf beiden Strahlerteilen gleichsinnig
gerichtete Ströme fließen. Die Momentanrichtung des Stromes ist durch die Pfeile
3 und q. angedeutet. In einem endlichen Abstand, der kleiner als @/4 ist, liegt
'auf jedem Strahlerteil je ein Stromkrnot°n. Die jenseits der genannten Stromknoten
liegenden Strahlerlängen sind elektrisch nicht länger als .1/2. Auf ihnen fließen
untereinander gleichgerichtete, aber zu den Strömen zwischen Knoten und Mitte gegenphasige
Ströme. Die momentane Stromrichtung ist hier durch die Pfeile 5 und 6 angegeben.
Der Strom im unteren Strombauch ist dabei größer gewählt als der entsprechende Strom
im oberen Strahler, und zwar im vorliegenden Beispiel um den Faktor 1,25. Wesentlich
für die Wirkungsweise der Antennenanordnung gemäß der Erfindung ist nun, daß sich
mit ihr eine Vertikalstrahlungscharakteristik mit zwei zwischen o und 9o° liegenden
Nullstellen ergibt. Die in Abb. i dargestellte Ausführungsform ergibt das in Abb.
2 gezeigte Vertikalstrahlungsdiagramm, in dessen Ordinatenrichtung die effektive
Feldstärke E in Relativwerten und in dessen Abszissenrichtung der Erhebungswinkel
i3 aufgetragen ist. Die Methoden der Ermittlung des Strahlungsdiagramms einer vorgegebenen
Antenne mit bekannter Stromverteilung können als bekannt vorausgesetzt werden, so
daß hier nicht näher- darauf eingegangen zu werden braucht.
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Die Kurve 7 in Abb. 2 zeigt dicht unterhalb von .I0° eine Nullstelle
und eine zweite oberhalb von 50°, während innerhalb des kritischen Winkelbereiches
von q.o bis 5o° die Strahlung außerordentlich gering ist, so daß praktisch von einem
breiten Nullbereich der Strahlung gesprochen werden kann. Dementsprechend ist auch
die schwundmindernde Wirkung verbessert. Das Nebenmaximum der bekannten Antennenanordnungen
ist in zwei wesentlich schwächere Nebenmaxima aufgespalten, von denen besonders
das innerhalb des für die Schwunderscheinungen kritischen Bereiches liegende Nebenmaximum
sehr klein und praktisch wirkungslos gemacht werden kann. Die beiden verkleinerten
Nebenzipfel enthalten auch entsprechend weniger Strahlungsenergie, so daß eine stärkere
Ausstrahlung in der Horizontalebene erzielt wird.
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Es sei erwähnt, daß bereits eine Antennenanordnung mit zwei in geeignetem
Abstand voneinander aufgestellten Vertikalantennen bekannt ist, mit der bei geeignetem
Zusammenwirken der beiden Antennen sich im Vertikalstrahlungsdiagramm ebenfalls
zwei Nullstellen erzielen lassen (deutsche Patentschrift 7oo 68r). Die Nullstellen
treten aber nur in der Richtung auf, die auf der Verbindungslinie durch die Fußpunkte
der beiden Antennen liegt. Für eine Schwundminderung in mehr als einer Richtung
war es erforderlich, um eine Mittelantenne eine Mehrzahl von vertikalen Antennen
aufzustellen.
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Bekanntlich ist der Winkelbereich, in dem eine Strahlungsunterdrückung
.erwünscht ist, für verschiedene Wellenlängen und infolge der verschiedenen Reflektionsbedingungen
an der Kennelly-Heaviside-Schicht nicht immer der gleiche. Dementsprechend. sieht
die Erfindung zur Erzielung einer möglichst weitgehenden Schwundminderung entsprechend
einem weiteren Gedanken vor, die Ströme in den Strombäuchen der beiden Strahlerteile
auf voneinander verschiedene Werbe einzustellen. Durch die Wahl des Verhältnisses
der beiden (räumlichen) Strommaxima kann nämlich die Lage der beiden Nullstellen
in Abb. 2 verändert werden und auch bei entsprechenden Forderungen ihr Abstand vergrößert
werden. Da die Schnittwinkel mit der Abszissenachse verhältnismäßig klein sind,
behalten die sich ergebenden Nebenzipfel der Strahlung innerhalb eines weiten Variationsbereiches
eine praktisch nicht ins Gewicht fallende Größe. Die Kurve 9 in Abb. 2 zeigt die
Wirkung einer anderen Einstellung des Verhältnisses der Ströme in den@beiden Strahlerteilen.
Die erste Nullstelle liegt schon bei 30 und die zweite bei 5o°. Man kann
demnach bei der Antennenanordnung gemäß der Erfindung eine Anpassung der Vertikalstrahlungscharakteristik
an die jeweiligenBetriebserforde@rnisse oder sogar an die jeweiligen Reflektionsverhältnisse
an der Kennelly-Heaviside-Schicht durch Einstellung der Ströme auf den beiden Strahlerbeilen
bewirken, wobei der Vorzug einer besonders starken Bündelung in der Horizontalebene
stets erhalten bleibt.
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Die Speisung der beiden Strahlerteile i und 2 kann über getrennte
Hochfrequenzleitungen und getrennte Anpassungs- und Kopplungsglieder erfolgen. Bei
der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist aber auch eine Speisung über eine
einzige Hochfrequenzleitung in besonderer Weise vorgesehen, welche der Anordnung
als Ganzes noch weitere Vorteile sichert. Dabei ist der untere Strahlerteil als
zylindrischer oder prismatischer, vollwandi@ge,r Hohlkörper, beispielsweise als
Rohr, ausgebildet, in dessen Innenraum die Hochfrequenzleitung bis zu ihren Anschlußpunkten
emporgeführt ist. Diese Anschlußpunkte sind an einer zwischen den mittleren Strahlerenden
liegenden, kürzer als 44 gewählten Leitungsschleife in an sich bekannter Weise so
bestimmt, daß eine Anpassung des Antennenwiderstands an den Leitungswiderstand erzielt
wird Eine besonders einfache Form des Aufbaus ergibt sich, wenn der vom unteren
Strahlerteil umschlossene Hohlraum zusammen mit dem in seiner Achse geführten Mittelleiter
diese Leitungsschleife bildet. Innerhalb dieses koaxialen Leitungsstückes ist der
Mantel der speisenden Hochfrequenzleitung an den Mittelleiter und der Innenleiter
an einen entsprechenden Punkt der Innenwand
des unteren Strahlerteiles,
gegebenenfalls über eine Zusatzimpedanz, z. B. eine Induktivität oder ein Drehvariometer,
angeschlossen.
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In Abb. 3 ist eine Ausführungsform einer mit diesen Merkmalen versehenen
Antennenanordnung schematisch darges;tel.lt. Darin ist i der untere Strahlerteil,
während 2 der obere Strahlerteil ist, der sich innerhalb des -rohrförmigen Strahlers
i nach unten als Mittelleiter fortsetzt und im Erdboden verankert ist. Über die
Hochfrequenzleitung io mit dem Mantel ii und dem Innenleiter 12 wird die Hochfrequenzenergie
zugeführt. Der Innenleiter 12 ist im Punkt 13 an die innere Fläche des unteren
Strahlers i und der Leitungsmantel ii im Punkt 14 an den Innenleiter, .d. h. die
untere Fortsetzung des Strahlers 2, angeschlossen. Dieser Innenleiter bildet mit
dem rohrförmigenAußenleiter i eine koaxiale Leitung, deren Länge durch den Kurzschlußbügel
15 abgestimmt werden kann. An Stelle dieses Kurzschlußbügels kann auch eine veränderliche
Induktivität, beispielsweise ein Drehva:riometer, zwischen dem Innen- und dem Außenleiter
eingeschaltet werden. Die Verbindung des Leitungsmantels mit dem oberen Strahler
2 hat den Vorzug, daß dieser für Gleichspannung dauernd geerdet ist und daher statische
Aufladungen und sogar Blitzeinschläge ohne Schwierigkeiten abgeleitet werden können.
An Stelle der durchgehenden Mastkonstruktion des Strahlers 2 vom Erdbaden bis zum
oberen Ende der Antenne kann natürlich auch eineKo.nstruktion gewählt werden, bei
welcher der rohrförmige Körper des Strahlers i mechanisch als Träger für einen isö@liert
daraufgesetz,ten Strahler 2 dient, wobei dann der Strahlerteil i durch einen Isolator
gegen Erde abgestützt werden muß, um die Vertikallast aufzunehmen. An dem elektrischen
Verhalten ändert sich durch derartige Konstruktionsverschiedenheiten bei Einhaltung
der für die Erfindung wesentlichen Einzelheiten nichts.