DK158179B - Bredbaandet unipolantenne med lynbeskyttelse - Google Patents

Description

DK 158179 B

Opfindelsen vedrører en afstemt kvartbølgeudstrålingsstang, der strækker sig lodret, en antennebasisdel, som mekanisk er koblet til den nederste ende af udstrålingsstangen, og som ved driftsfrekvensen er isoleret fra den nævnte nederste ende, flere jordplanselementer, 5 der strækker sig fra og er forbundet til antennens basisdel og frembringer et virtuelt jordingsplan for udstrålingsstangen, som er rørformet, og hvori en jordingsstang strækker sig centralt og ved sin øverste ende er kortsluttet til røret, hvorved der dannes et kortsluttet koaksialt ledningsstykke, som er kortere end den kvarte 10 bølgelængde, et par indgangsklemmer for tilslutning til en koaksial tilførselsledning, hvilke klemmer dannes af den nederste ende af udstrålingsstangen og af den nævnte basisdel.

Unipolantenner er meget benyttet inden for telekommunikationsområdet, specielt inden for frekvensområdet mellem 20 og 200 MHz. Unipolanten-15 ner omfatter lodrette kvartbølgestrålingselementer, der er indrettet til at udstråle i en hemisfære over et virkeligt eller virtuelt jordplan. Forstærkning i sådanne antenner udgør op til 3 dB. Udstrålingsstangen tilføres sædvanligvis signal i sit basispunkt, og den er tilpasset en koaksialledning.

20 Udstrålingsstangen i den konventionelle unipolantenne er isoleret fra jord, og denne isolation giver ligeledes en DC-(jævnstrøms)isolation.

I sådanne udformninger har udstrålingsstangen en tilbøjelighed til at blive elektrostatisk opladet, og beskyttelsen over for lynnedslagsbeskadigelser af elektroniske indretninger, der er koblet til antennen, 25 er ikke tilstrækkelig god. DC-jordingen af udstrålingsstangen opnås sædvanligvis ved brug af en foldet unipol som et udstrålingselement, der ud over jordingen af antennen giver en forøget basispunktimpe-dans. Selv om den foldede unipol giver en DC-jording, kan den ikke give en sikker beskyttelse mod lynnedslagsbeskadigelse, eftersom 30 antennens længde er mere end 10 gange større end afstanden mellem de to parallelle stænger, så at der ved antennens basis kan ske overslag. Ved et lynnedslag kan den strøm, der løber i de to parallelle stangsektioner, være· ekstremt stor og ledsaget af en dynamisk virkning, der kan deformere og beskadige antennen.

35 Det er blevet foreslået, første gang af M.G. Brown i USA patentskrift nr. 2.275.342, at antennen burde være forbundet til jord via et

DK 16 81'/ 9 B

2 kortsluttet ledningsstykke. I overensstemmelse med dette forslag er den elektriske længde af det kortsluttede ledningsstykke lig med en kvart bølgelængde, og det strækker sig lodret nedefter under udstrålingsstangen. Tilstedeværelsen af ledningsstykket giver en på-5 virkning af antennens basispunktimpedans, ved hvilken båndbredden kun forøges i ubetydelig grad.

Unipolantenners båndbredde bestemmes i første række af konstruktionen af de jordplanselementer, hvormed jordingsplanet imiteres, og af udstrålingsstangens tykkelse. Båndbredden kan forøges ved forøgelse 10 af udstrålingsstangens diameter, men den tilsvarende funktion er logaritmisk, og en lille båndbreddeforøgelse kræver en betydelig forøgelse i diameter. Den relative båndbredde af i dag benyttede unipolantenner ligger mellem ca. 1 og 3%.

Når den mekaniske udformning vurderes, skal -.der understreges, at 15 udstrålingsstangen sædvanligvis understøttes af en isolator. For at formindske basispunktkapaciteten til jord benyttes der isolatorer, der udsættes for et betydeligt bøjningsmoment. Styrken af isolatormaterialer over for et bøjningsmoment er meget begrænset, og materialerne er stive og ubøjelige, hvilket forklarer, hvorfor udformningen 20 af en hensigtsmæssig understøtning udgør en kritisk faktor i hele konstruktionsarbej det.

Forøgelsen i den krævede båndbredde til telekommunikationsforbindelser nødvendiggør brugen af antenner med en så stor relativ båndbredde som 5 til 10%, hvoraf følger, at konventionelle unipolantenner til 25 trods for alle fordelatige træk ikke er velegnet til sådanne anvendelser.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en forbedret unipolan-tenne, der er i stand til at fungere inden for sådanne brede bånd, og at eliminere de ovenfor angivne ulemper ved konventionelle typer af 30 unipolantenner.

Opfindelsen er baseret på den erkendelse, at der inden i udstrålingsstangen kan placeres et kortsluttet ledningsstykke, dersom udstrålingsstangen er fremstillet af et hult rør, og at et åbent lednings-stykke kan benyttes som en forlængelse af det første ledningsstykke.

35 De to linjestykker kan sammen betragtes som en ledning med udtag, der

DK 158179B

3 er åben i den ene ende og kortsluttet i sin anden ende. Antennens tilførsels- eller indgangspunkter er koblet til udtagspunkterne på denne sammensatte ledning. Ved hensigtsmæssigt valg af udtagspunkternes placering kan størrelsen og frekvenskarakteristikken for den 5 elektriske susceptans, der frembringes af den sammensatte ledning, kompenseres af antennens basispunktsusceptans inden for et bredt frekvensområde, hvorved antennen får et fordelagtigt standbølgeforhold inden for en større båndbredde.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes der en unipolantenne af den indled-10 ningsvis angivne art, hvilken unipolantenne er ejendommelig ved, at antennen har et koaksialledningsstykke, der er åbent i den ene ende, og hvis anden ende er forbundet over indgangsklemmerne på en sådan måde, at yderlederen er forbundet til den nævnte basisdel, idet nævnte åbne ledningsstykke danner en forlængelse af nævnte kortslut-15 tede ledningsstykke, og idet den samlede elektriske længde af de to ledningsstykker ligger inden for toleranceområdet + 25% af den kvarte bølgelængde, og at indgangsklemmerne danner udtagspunkter for det således frembragte, afstemte samlede ledningsstykke, hvorved der i det mindste delvis kompenseres for den reaktive komposant i antennens 20 indgangsimpedans, med en afstemt kvartbølge udstrålingsstang, der strækker sig lodret opefter fra et jordingsplan, hvilken antenne omfatter et par indgangsklemmer, der er placeret mellem jordingsplanet og den nederste ende af udstrålingsstangen, idet der parallelt med indgangsklemmerne er tilsluttet et kortsluttet ledningsstykke, 25 hvilken antenne er ejendommelig ved, at ledningsstykket med en kortslutning i den ene ende er fremstillet af en jordingsstang, som strækker sig koncentrisk inden i udstrålingsstangen, idet en kortslutningsdel er koblet både til en endedel af jordingsstangen og til udstrålingsstangens indervæg, og idet et yderligere ledningsstykke 30 med en åben ende er koblet til indgangsklemmerne og anbragt som en forlængelse af det første ledningsstykke.

Af hensyn til den mekaniske konstruktion foretrækkes det, at unipol-antennen ifølge opfindelsen omfatter et antennehoved, der er fremstillet af metal, og som afgrænser en central boring med en skulder, 35 idet der i boringen er anbragt en monteringsplade, der støder op til skulderen, og som er forbundet til tilførselskabelets og det åbne ledningsstykkes ydre skærm, og idet monteringspladens centrale del er forbundet til jordingsstangens nederste ende, hvilken monteringsplade

DK 1 ο 61'/ 9 B

4 er isoleret fra udstrålingsstangen ved hjælp af en afstandsbøsning af isolerende materiale, idet der omkring den nederste endedel af udstrålingsstangen er anbragt en klampe til tilvejebringelse af forbindelser til tilførselskabelets og det åbne ledningsstykkes 5 inderledere, og idet der i antennehovedets centrale boring er anbragt en understøtningsbøsning til tilvejebringelse af understøtning for udstrålings s tangen.

Af hensyn til en forøget lynnedslagsbeskyttelse foretrækkes det, at understøtningsbøsningens øverste ende strækker sig op over antenne-10 hovedets overside, og at der til udstrålingsstangen er fastgjort en ring umiddelbart over understøtningsbøsningens ende for dannelse af et gnistgab med oversiden.

En unipolantenne, der er fremstillet i overensstemmelse med de ovenfor beskrevne principper har en båndbredde, som er ca. fem gange 15 større end båndbredden for konventionelle unipolantenner, ligesom den har fordelagtige egenskaber uden for bånd og giver en forbedret beskyttelse mod lynnedslag. Den konstruktionsmæssige udformning af unipolantennen ifølge opfindelsen er simpel, og den er overraskende slank sammenlignet med sin store båndbredde og har en forbedret 20 pålidelighed.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, der viser udførelsesformer for den forbedrede unipolantenne ifølge opfindelsen, og på hvilken fig. 1 skematisk viser en udførelsesform for en unipolantenne ifølge 25 opfindelsen, hvor der i området ved antennens basis er benyttet en forvrænget længdeskala for at lette forståelsen, fig. 2 en anden udførelsesform for en unipolantenne ifølge opfindelsen, delvis i snit, og fig. 3 standbølgeforholdet som funktion af frekvensen for den i fig.

30 2 viste udførelsesform.

En i fig. 1 vist unipolantenne omfatter en lodret udstrålingsstang 1, der er fremstillet af et metalror, og som har en længde, der tilnærmelsesvis svarer til en kvart bølgelængde. Udstrålingsstangen 1 er placeret over et reelt eller-virtuelt jordingsplan 2. I den i fig. 1 35 viste udførelsesform skabes jordingsplanet 2 af virkningen fra fire

DK 15817 9 B

5 modvægtsstænger 3, der skråner nedefter, og som har længder i alt væsentligt lig med den kvarte bølgelængde.

Antennen har et par indgangsklemmer 4 og 5, af hvilke indgangsklemmen 4 er forbundet til den nederste, varme ende af udstrålingsstangen 1, 5 til midterlederen i en tilførselsledning 17 og til midterlederen i et ledningsstykke 16, der er åben i enden. Den anden indgangsklemme 5 er forbundet til jordingsplanet 3, til tilførselsledningens 17's ydre skærm, til yderskærmen på det åbne.ledningsstykke 16 i den øverste ende af dette og til den nederste ende af en jordingsstang 7, som 10 strækker sig aksialt i udstrålingsstangen l's centerlinje. Jordingsstangen 7's øverste ende er via en kortslutningsdel 6 koblet til indervæggen af udstrålingsstangen 1, der er fremstillet af et hult rør.

Jordingsstangen 7 danner sammen med kortslutningsdelen 6 og den 15 cylindriske indervæg af udstrålingsstangen 1 et kortsluttet lednings -stykke, der er mindre end en kvart bølgelængde, og som er åbent i sin nederste ende, og det åbne ledningsstykke 16 er anbragt som en reel eller virtuel forlængelse af det kortsluttede ledningsstykke. Den elektriske længde af det åbne ledningsstykke 16 er også mindre end en 20 kvart bølgelængde, og ledningsstykket 16 kan fortrinsvis være fremstillet af en del af et koaksialt kabel.

Ledningsstykket, der strækker sig i udstrålingsstangen 1, som er kortsluttet i den øverste ende, kan, når det vurderes sammen med det åbne ledningsstykke 16, der er forbundet til udstrålingsstangen, 25 betragtes som et enkelt sammensat ledningsstykke, der er kortsluttet i den øverste ende og åbent i bunden. Det sammensatte ledningsstykke har et udtag på højde med jordingsplan 2, og i dette udtag er det sammensatte ledningsstykke forbundet parallelt til antennens indgangsklemmer 4 og 5.

30 Tilstedeværelsen af dette ledningsstykke, som er forsynet med udtag, udøver en betydelig påvirkning på unipolanternens egenskaber. I udtagspunkterne frembyder ledningsstykket praktisk taget en ren susceptans, som adderes til den reaktive komposant af antennens basispunktadmitans.

DK 158179 B

6

Susceptansen af ledningsstykket i udtagspunkterne ændres med frekvensen, og stejlheden af denne ændring afhænger af udtagspunkternes placering på ledningsstykket, medens størrelsen af susceptansen afhænger af ledningsstykkets samlede længde og af den kapacitet, der 5 frembringes af antennens basis bestemt af monteringsspredningskapaciteterne. Længden af det sammensatte ledningsstykke er tæt ved den kvarte bølgelængde, og placeringen af udtagspunkterne kan justeres ved samtidig justering af kortslutningsdelen 6's placering og det åbne ledningsstykke 16's længde, hvorved længden af det sammensatte 10 ledningsstykke skal holdes i alt væsentligt konstant.

Forsøg har vist, at den susceptans, der frembringes af det sammensatte ledningsstykke, med en passende placering af udtagspunkterne kan kompensere ændringerne i den reaktive komposant af antennens basispunktimpedans inden for et relativt bredt frekvensområde, hvor-15 . ved antennens standbølgeforhold bliver ganske godt inden for et bredt bånd.

Antennen vil få em forøget funktionsfoåmdbredde,, idet tilstedeværelsen af ledningsstykket, som er forsynet med udtag, imidlertid giver en stor susceptans uden for funktionsbåndet, hvilket praktisk taget 20 kortslutter antennen. Denne virkning er favorabel, eftersom indgangen på en modtager, som er forbundet til antennen, derved beskyttes mod forstyrrende kraftige signaler, det modtages uden for funktions-båndene.

Takket være brugen af det sammensatte ledningsstykke, er der gal-25 vanisk forbindelse mellem udstrålingsstangen 1 og jordpotentialet, hvorved statisk opladning af antennen forhindres. I modsætning til foldede unipolanterner er jordingsstangen 7 anbragt på skærmet måde inden i udstrålingsstangen 1, og den dynamiske virkning ved et lynnedslag kan ikke medføre alvorlig beskadigelse af antennekonstruk-30 tionen.

Fig. 3 viser standbølgeforholdet som funktion af frekvensen for en antenne, der i overensstemmelse med opfindelsen er konstrueret til at fungere mellem 33 og 38 MHz, og kurven viser, at standbølgeforholdet for antennen er bedre end 1,5 inden for et bånd på 5 MHz, hvilket 35 giver en relativ båndbredde på 14%. Denne båndbredde er ca. 4 gange større end båndbredden for konventionelle unipolantenner.

DK 158179 B

7

Udover den forøgede båndbredde, den galvanisk jordede udstrålingsdel og de favorable egenskaber uden for funktionsbåndet har antennen ifølge opfindelsen flere andre fordelagtige træk, der vil blive beskrevet i forbindelse med en i fig. 2 vist udførelsesform.

5 X denne udførelsesform holdes aggregatet sammen af et antennehoved 11, der er fremstillet af metal, og i hvilket der er udformet huller, som er forsynet med gevind, med skrå akser til optagelse af jordplanselementer 3. I antennehovedet afgrænses en central boring, der er åben fra bunden, og i boringen er der udformet en skulder. En 10 metalmonteringsplade 14 ligger an mod skulderen og er fastgjort til denne ved hjælp af gevindbolte, og monteringspladen 14 er elektrisk forbundet til den nederste ende af jordingsstangen 7. Den nederste ende af udstrålingsstangen 1 er isoleret i forhold til monterings-pladen 14 ved hjælp af en afstandsbøsning 13, der er fremstillet af 15 et isolerende materiale.

I den øverste del af antennehovedet 11's centrale boring er der placeret en understøtningsbøsning 10, og dennes øverste ende strækker sig ca. 2 mm op over antennehovedet 11's overside. Udstrålingsstangen 1 er ført gennem understøtningsbøsningen 10's centrale boring, og 20 denne virker som en mekanisk understøtning for udstrålingsstangen 1.

Man vil forstå, at understøtningsbøsningen 10 kun udsættes for trykbelastning, når der virker et bøjningsmoment på udstrålings-stangen 1 som følge af vindpåvirkning. Isolationsmaterialer modstår let denne type belastning. Brugen af isoleringsbøsningen, der kun er 25 udsat for trykbelastning, frembyder en betydelig forbedring sammenlignet med konventionelle isolatorer, der i hovedsagen udsættes for bøj ningsbelas tninger.

Selv om understøtningsbøsningen 10 giver en større kapacitet i antennens basis end de konventionelle isolatorer, der er konstrueret til 30 bøjningsbelastning, vil denne bøsnings tilstedeværelse ikke være forstyrrende i denne udførelsesform for opfindelsen, eftersom suscep-tansen af det sammensatte ledningsstykke kan kompensere denne kapacitet.

Det åbne ledningsstykke 16's og tilførselsledningen 17's øverste 35 ender er begge forbundet til monteringspladen 14 på en sådan måde, at

DK 158179B

8 skærme på disse kabler er forbundet til monteringspladen 14 ved hjælp af passende kabelholdere 15a og 15b. Midterlederne i disse kabler er begge forbundet til en klampe 12, der er monteret omkring den nederste endedel af udstrålingsstangen 1. På den nederste ende af 5 tilførselsledningen 17 er der monteret en asymmetrisk tilslutnings-sokkel 18 til udløselig tilslutning af antennekabelet. Den nederste ende af det åbne ledningsstykke er lukket og beskyttet af en gummi-hætte 19.

På udstrålingsstangen 1 er der fastgjort en ringformet mellemrumsluk-10 keanordning 9, der støder op til understøtningsbøsningen 10's overside. Gnistgabet mellem disse giver en effektiv lynnedslagsbeskyttelse. Med den i fig. 2 viste konstruktionsmæssige udformning er tilførselsledningen 17 tilstrækkelig beskyttet mod ødelæggende virkninger ved et lynnedslag.

15 Den nederste del af udstrålingstangen l's yderdel er forseglet ved hjælp af en muffe 8, der forhindrer rummet over monteringspladen 14 i at blive påvirket af vand og fugt. Det er imidlertid tilrådeligt at fylde dette rum med en harpiks. Til lukning af udstrålingsstangen l's øverste ende benyttes en hætte 21.

20 Den i fig. 2 viste konstruktionsmæssige udformning er fordelagtig ved samling af antennen, eftersom monteringspladen 14 sammen med de tilhørende kabelstykker og udstrålingsstangen 1 kan samles separat til dannelse af et præfabrikeret produkt. Antennehovedet 11 er konstrueret til let montering på toppen af en antennemast, og det kan 25 fastgøres ved hjælp af et par bolte 20. Tilførselsledningen og det åbne ledningsstykke 16 kan begge strække sig i et indre hulrum af massen.

Unipolantennen ifølge opfindelsen har forbedrede egenskaber, den er let at montere, den giver en betydelig beskyttelse mod lynnedslag, og 30 den har en konstruktionsmæssig udformning med forbedret pålidelighed med reduceret tilbøjelighed til at brække, blive beskadiget eller dækket med store mængder is, når disse egenskaber sammenlignes med egenskaberne for konventionelle unipolantenner.

Eftersom den forøgede båndbredde skyldes virkningen af tilstedevæ-35 reisen af det sammensatte ledningsstykke, der er forsynet med udtag, er der ikke mere behov for brug af en udstrålingsdel med kraftigt

Claims (5)

5 PATENTKRAV

1. Unipolantenne med en afstemt kvartbølgeudstrålingsstang (1), der strækker sig lodret, en antennebasisdel, som mekanisk er koblet til den nederste ende af udstrålingsstangen (i), og som ved driftsfrekvensen er isoleret fra den nævnte nederste ende, flere afstemte 10 jordplanselementer (3), der strækker sig fra og er forbundet til antennens basisdel og frembringer et virtuelt jordingsplan (2) for udstrålingsstangen (1), som er rørformet, og hvori en jordingsstang (7) strækker sig centralt og ved sin øverste ende (6) er kortsluttet til røret, hvorved der dannes et kortsluttet koaksialt lednings-15 stykke, som er kortere end den kvarte bølgelængde, et par indgangs-klemmer (4, 5) for tilslutning til en koaksial tilførselsledning (17), hvilke klemmer dannes af den nederste ende af udstrålingsstangen (1) og af den nævnte basisdel, kendetegnet ved, at antennen har et koaksialledningsstyk-20 ke, der er åbent i den ene ende, og hvis anden ende er forbundet over indgangsklemmerne (4, 5) på en sådan måde, at yderlederen er forbundet til den nævnte basisdel, idet nævnte åbne ledningsstykke danner en forlængelse af nævnte kortsluttede ledningsstykke, og idet den samlede elektriske længde af de to ledningsstykker ligger inden "25 for toleranceområdet + 25% af den kvarte bølgelængde, og at indgangs-klemmerne {4, 5) danner udtagspunkter for det således frembragte, afstemte samlede ledningsstykke, hvorved der i det mindste delvis kompenseres for den reaktive komposant i antennens indgangsimpedans.

2. Antenne ifølge krav 1, 30 kendetegnet ved, at det åbne ledningsstykke (16) er fremstillet af et stykke af et koaksialkabel.

3. Antenne ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at den har et antennehoved (11) , der er fremstillet af metal, og som afgrænser en central boring med en 35 skulder, en monteringsplade (14), der er fremstillet af metal og DK 158179 B støder op til skulderen, og som er forbundet til tilførselsledningens (17) og det åbne ledningsstykkes (16) yderskærme og i sin centrale del er forbundet til jordingsstangens (7) nederste ende, idet der i udstrålingsstangens (1) nederste endedel er placeret en afstandsbøs-5 ning (13) til frembringelse af isolation mellem monteringspladen (14) og udstrålingsstangen (1), at der til udstrålingsstangen (1) er fastgjort en klampe (12), som er forbundet til tilførselsledningens (17) og det åbne ledningsstykkes (16) inderledere, og at der i antennehovedets (11) boring er anbragt en understøtningsbøsning (10) af isole-10 rende materiale til tilvejebringelse af en ydre understøtning for udstrålingsstangen (1) .

4. Antenne ifølge krav 3, kendetegnet ved, at understøtningsbøsningens (10) øverste ende strækker sig op over antennehovedets (11) øverste ringformede 15 flade, og at der på udstrålingsstangen (1) umiddelbart over understøtningsbøsningens (10) øverste ende er fastgjort en mellemrumsblokeringsanordning (9).

5. Antenne ifølge krav 4, kendetegnet ved, at der på udstrålingsstangen (1) er 20 monteret en forseglingsmuffe (8), der indgriber med den øverste del af antennehovedet (11).