EP0065973B1

EP0065973B1 - Mehrelement-richtantennen-system

Info

Publication number: EP0065973B1
Application number: EP82900016A
Authority: EP
Inventors: Walfried Sommer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-12-04
Filing date: 1981-12-02
Publication date: 1989-05-31
Also published as: DE3045684A1; JPS57502033A; EP0065973A1; WO1982002119A1; DE3177064D1

Description

Es gibt eine Reihe von Anordnungen, die es gestatten, elektromagnetische Wellen in eine bevorzugte Richtung abzustrahlen oder aus einer bevorzugten Richtung zu empfangen. Solange solche Systeme nur für eine bestimmte Frequenz oder einen relativ engen Frequenzbereich ausgelegt werden sollen, sind sie einfach zu realisieren, z. B. nach dem Prinzip von Uda-Yagi mit auf die gewünschten Frequenzen ausgelegten Reflektor- und Direktorelementen. Schwieriger und technisch kompliziert werden solche Anordnungen aber dann, wenn sie auf mehreren Frequenzen mit Gewinn und einem guten Vorwärts-Rückwärts-Värhältnis arbeiten sollen.
Es ist bekannt, daß gerade die Amateurfunkbereiche über praktisch den größten Teil des Kurzwellen- und Ultrakurzwellenbereiches verteilt sind. Da die bekannten breitbandigen Log-Periodic-Antennen einen sehr großen mechanischen Aufwand bedingen und vom Antennengewinn her gesehen keine ideale Lösung darstellen, hat es daher nicht an Versuchen gefehlt, das Prinzip des Uda-Yagi-Antennensystems so zu gestalten, daß diese auf mehreren, meist 3 Kurzwellenbereichen eine optimale Richtwirkung ergibt.
Bislang war dieses Ergebnis jedoch nur zu erzielen, wenn für die gewünschten Frequenzbereiche sowohl im Hinblick auf die mechanische Ausführung, als auch auf die elektrische Wirkung Kompromisse eingegangen wurden. Eine typische Kompromißantenne dieser Art ist z. B. die sogenannte Trap- oder Sperrkreisantenne, bei der die einzelnen Elemente durch Sperrkreise so aufgeteilt werden, daß elektrisch je nach dem benutzten Frequenzbereich nur bestimmte Antennenteile wirksam werden können. Nachteilig ist hierbei vor allem die durch die Einfügung von Spulen bedingte Elementverkürzung, die zwangsläufig zu einem Mindergewinn führt. Dabei muß zusätzlich ein gewisser Verlust an abgestrahlter Energie in Kauf genommen werden, der durch die Sperrkreise in unerwünschte Wärme umgewandelt wird. Darüberhinaus sind Sperrkreise allgemein wetterempfindlich und verlieren durch Witterungseinflüsse im Laufe der Zeit an Qualität, wodurch sich die Verluste weiter erhöhen.
Eine erhebliche Verbesserung wurde dadurch erzielt, daß man auf Sperrkreise verzichtete und die Antenne durch Parallel- und Serienkreise auf drei unabhängige Frequenzen einstellte (Auerbach, Amateurfunk-Antennen, Franzis-Verlag München 1971, S. 162 - 167). Um die Abstimmkreise in das Antennensystem einzufügen, mußten als Induktivitäten sogenannte Haarnadelschleifen und als Kapazitäten Kondensatoren in Form von KoaxialKabeln bestimmter Länge in das Antennensystem eingebaut werden. Die Nachteile dieser Entwicklung sind ebenfalls konstruktiver Art. Ähnlich wie Trap-Antennen sind die Abstimmkreise Witterungseinflüssen unterworfen und können nur mit einer limitierten HF-Leistung betrieben werden, da sie bei Erwärmung zerstört werden können.
Auch der mechanische Aufbau ist bei allen Vorteilen gegenüber Sperrkreisantennen kompliziert und sie bedürfen einer Abstimmarbeit, die die Serienfertigung solcher Antennen bisher erschwerte. (Auerbach, loc. cit. S. 167).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antennensystem zu verwirklichen, bei dem möglichst das gesamte Antennensystem zum Empfang und zur Abstrahlung nutzbar gemacht werden kann und bei dem im Gegensatz zu bisher bekannten Antennen auf sämtliche zusätzliche Abstimmhilfen, wie separate Schwingkreise, verzichtet werden kann. Der Vorteil eines solchen Systems liegt neben seinem beispiellos einfachen mechanischen Aufbau, der ausschließlich mittels metallisch leitender Teile, wie Aluminiumrohren und isolierenden Halterungen verwirklich wird, in ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften, z. B. einer völligen Unempfindlichkeit gegenüber Witterungseinflüssen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man zur Abstimmung der verschiedenen Frequenzbereiche nicht mehr zusätzliche induktive und kapazitive Bauteile verwendet, sondern die zur Abstimmung notwendigen "Blindkomponenten" durch eine absichtliche Verlängerung und Verkürzung von Elementen in erheblicher Abweichung von der typischen Resonanzlänge der Elemente erzeugt und diese Blindkomponenten innerhalb des Systems dadurch kompensiert, daß man die Elemente durch Annäherung miteinander verkoppelt.
Es wurde überraschend gefunden, daß man durch eine einfache Annäherung der strahlenden Elemente eine bisher noch nicht ganz geklärte Verkopplung erreicht, die die Einfügung separater Abstimmkreise erübrigt und gleichzeitig das gesamte System zum Schwingen bringt, wodurch die "strahlende Fläche" in erwünschter Weise erheblich vergrößert wird.
Aus der US-A-3 503 074 ist zwar ein auf der Basis von Log-Periodic-Antennen arbeitendes Antennensystem bekannt geworden, das ebenfalls stark angenährte Antennenelemente aufweist. Dieses System kann - wie alle Log-Periodic-Antennen nur zu einem kleinen Teil ausgenutzt werden, da immer nur die wenigen Antennenteile aktiv sind, die von ihren physikalischen Abmessungen und elektrischen Eigenschaften her mit der Arbeitsfrequenz in Resonanz sind, während alle übrigen Elemente tot sind. Im Gegensatz dazu sind bei dem Antennensystem der Erfindung alle Elemente so in Aktion, daß auf jedem der vorgesehenen Bandbereiche fast die gesamte Antennenfläche wirksam wird. Das System der US-A-3 503 074 ist aufgrund der gegenphasigen Einspeisung und der dadurch bedingten völlig anderen Kopplungsverhältnisse mit der erfindungsgemäßen Richtantenne, die von einer gleichphasigen Einspeisung Gebrauch macht nicht zu vergleichen. Eine Antenne mit nahe beieinander liegenden Elementen ist auch aus GB-A-937 686 bekannt. Diese Antenne ist aber breitbandig und soll den gesamten UKW-Rundfunkbereich mit einer Bandbreite von 8 MHZ überstreichen. Eine Antenne, welche erfindungsgemäß auf etwa im Verhältnis 1 : 2 auseinanderliegenden Frequenzbereichen schmalbandig arbeitet läßt sich nach der GB-A-937 686 nicht herstellen.
Die Grundeinheit eines solchen Antennensystems besteht bei einer Antenne für z. B. drei Frequenzbereiche aus einer Kombination von drei Elementen. Diese Grundeinheit dient hauptsächlich der Abstimmung des Gesamtsystems auf die gewünschten Frequenzbereiche und besteht aus einem in etwa auf die Resonanzlänge abgestimmten %/2-Strahler für die niedrigste Frequenz. In relativ geringem Abstand hierzu wird ein stark verlängerter a X/2-Strahler für die nächstniedrige Frequenz angebracht. In weiterem ebenfalls geringem Abstand zu diesem Element wird nun ein stark verkürzter ?,/2-Strahler der höchsten Frequenz angebracht. Praktischerweise werden die beiden Strahler für die niedrigeren Frequenzbereiche gemeinsam eingespeist, wobei der mittlere Strahler mittig durchaus zum gemeinsamen Anschlußpunkt der Einspeiseleitung hin geknickt sein kann. Durch die bewußte Verlängerung des mittleren Strahlers besitzt dieser einen relativ hohen induktiven Blindanteil, der ihn an sich außerhalb des gewünschten Resonanzbereichs bringt. Ebenso bewirkt die Verkürzung des Strahlers für die höchste Frequenz an sich eine starke Verstimmung durch den zusätzlichen kapazitiven Verkürzungsanteil. Durch die stark angenäherte Anordnung der drei Strahler in einem Bereich von weniger als 0,01 - 0,02λ in Bezug auf die niedrigste Frequenz können nun alle drei Strahler so miteinander verkoppelt werden, daß sich die Blindanteile vollständig kompensieren und das gesamte System aller drei Strahler auf den gewünschten Resonanzfrequenzen schwingt. Dabei ist besonders erstaunlich, daß nicht nur die eingespeisten beiden längsten Elemente im Betrieb erhebliche hochfrequente Spannungen und Ströme führen, sondern daß auch das nur parasitär erregte dritte Element strom- und spannungsführend ist, obwohl es dies aufgrund seiner mechanischen Abmessungen gar nicht sein dürfte.
Durch die erfindungsgemäße Annäherung der Elemente wird also die strahlende Fläche des Systems für alle drei Frequenzbereiche erheblich vergrößert, wodurch bereits ein unerwarteter Anstieg des Antennengewinns erzielt wird. Die räumlich nahe Anordnung der strahlenden Elemente bewirkt zusätzlich ein Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis von etwa 2 - 5 dB für die ein- oder abgestrahlte HF-Energie für die beiden höheren Bänder, womit die Richtwirkung der Antenne günstig beeinflußt wird. Selbstverständlich ist von dieser räumlich eng aufeinander angeordneten Grundeinheit noch nicht der von einer Yagi-Antenne erbrachte Antennengewinn zu erwarten, jedoch werden die beiden höheren Frequenzbereiche bereits um etwa 1 - 2 dB über einem Referenzdipol abgestrahlt. Das längste Element wirkt in etwa wie ein Dipol.
Die beschriebene erfindungswesentliche Grundeinheit gestattet es nun, ein oder mehrere Elemente der niedrigsten Frequenz auf einem längeren "Boom" in größerem Abstand anzuordnen (vgl. Auerbach loc. cit. S. 164) wobei überraschend auch hier auf Anpaßkreise vollständig verzichtet werden kann. Über die gekreuzte Phasenleitung werden diese Elemente mitgespeist.
Durch die zusätzlichen, vor oder hinter der beschriebenen 3-Elementanordnung angebrachten Elemente steigt der Antennengewinn und das Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis auf allen drei Frequenzbereichen dramatisch an. Ein Antennengewinn von 5 - 8 dB über einem Referenzdipol und ein Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis von 20 - 30 dB ist ohne weiteres zu erzielen.
Eine weitere erhebliche Steigerung des Vorwärts-Rückwärts-Verältnisses ist erreichbar, wenn die oben beschriebene Dreierkombination der eingespeisten Elemente in bestimmten Abständen nochmals auf dem Boom angeordnet wird.
Die Anpaßung des gesamten Antennensystems an ein gegebenes Speisekabel (z. B. 50 Ohm Koaxialkabel) welches über einen eisenfreien Balun (Symmetrierglied) angeschlossen werden sollte, erfolgt mittels einer Zusatzleitung, deren elektrische Länge dem gesamten Antennensystem angepaßt wird. Die Zusatzleitung wird vorzugsweise nach Art einer offenen Lecherleitung an dem vom Antennenfußpunkt abgewandten Teil der gekreuzten Phasenleitung angeschlossen und mittels Impedanzmeßgerät auf eine Länge gebracht, welche das Gesamtsystem am Fußpunkt der Antenne auf den gewünschten Anschlußwert bringt.
Der Gegenstand der Anmeldung ist in den Patentansprüchen umschrieben.
Die Wirkungsweise der Erfindung sei nun zur weiteren Erläuterung anhand Figur 1 näher beschrieben.
Figur 1 stellt eine typische Antenne für die Frequenzbe reiche 28 - 30 MHz, 21 - 21,5 MHz und 14 - 14,4 MHz (10, 15 und 20 m Amateurband) dar
Die mit G bezeichnete Grundeinheit wird im Punkt 4 über ein eisenfreies Symmetrierglied per Koaxialkabel eingespeist. Mit dem Punkt 4 sind die Elemente 2 und 3 verbunden. Element 3 hat eine mechanische Länge von 9,9 m, die etwa der elektrischen Länge eines für 14 MHz bemessenen Dipols entspricht. Im Abstand von 40 ₌ 5 cm ist Element 2 angeordnet und über gebogene. abgeknickte Schenkel von 40 cm mit dem Einspeisepunkt 4 verbunden. Im Abstand von 20 cm + 5 cm ist Element 1 angeordnet. Element 2 hat eine Länge von 2 x 3,6 m (gemessen vom Einspeisepunkt 4) und ist erheblich länger als ein Dipol für die Resonanzfrequenz 21 MHz. Element 1 ist wiederum erheblich kürzer als ein Dipol für 28 - 30 MHz (4,6 m).
In jeweils 2 m Abstand sind die Elemente 6 und 8 mit einer Länge von 10,6 m und 11,6 m angeordnet. Beide Elemente entsprechen in etwa der elektrischen Länge eines Uda-Yagi-Systems für 14 MHz.
Der Antennengewinn ist auf allen drei Frequenzbereichen zumindest gleich dem Gewinn eines Antennensystems das nur für ein Frequenzband berechnet ist. Dabei wird vorausgesetzt, daß beide Antennensysteme gleiche Boomlänge haben. In der Fachliteratur wird der Gewinn von Monobandantennen mit drei Elementen und einer Boomlänge (Abstand der beiden äußersten Elemente) von 0,2 bis 0'3λ mit 7 dB angegeben (S. Auerbach, Seite 152).
Die Unterdrückung des rückwärtigen unerwünschten Signals liegt zwischen 15 und 25 dB. Die Bandbreite ist innerhalb der eingestellten Bänder etwa 1 MHz, sodaß keine zusätzlichen Anpaßgeräte verwendet werden müssen. Die Stehwellenverhältnisse erreichen dabei Werte um 2 oder besser.
Neben den beschriebenen Eigenschaften verfügt die 3-fach-Kombination gewollt induktiv bzw. kapazitiv belasteter Dipolelemente über die Fähigkeit, die unerwünschte Aufspaltung der, Strahlungsdiagramme von Ganzwellendipolen oder Dipolen die länger als 0,5 λ sind, zu vermeiden. Dabei wird der für die tiefste Frequenz z. B. 14 MHz ausgelegte Dipol beim Betrieb mit der höchsten Frequenz collinear erregt und erzeugt damit nur eine Strahlungskeule (Auerbach S. 133 und 131).
In Figur 2 ist eine Erweiterung des Systems um eine weitere Grundeinheit (G) und einem zusätzlichen Reflektor (6') schematisch dargestellt. Diese Anordnung erhöht den Gewinn des Systems um etwa 20 % oder 1 dB, gleichzeitig wird jedoch das Vor-Rück-Verhältnis sehr stark verbessert und zwar um etwa 10 - 15 dB. Dies ist im Hinblick auf die "überfüllten Amateurbänder" von großer Wichtigkeit, denn damit wird ein weitgehend störungsfreier Betrieb ermöglicht.
Selbstverständlich ist es möglich, durch zusätzliche parasitäre Elemente oder weitere Strahlerelemente den Gewinn des Systems weiter zu erhöhen, soweit dies mechanisch sinnvoll ist.
Darüberhinaus läßt sich das System gemäß DE-A-3 010 688 an beliebige andere Frequenzen anpassen, indem die Zusatzleitung 10 entsprechend angepaßt und gegebenenfalls weitere in Resonanz gebrachte Elementeangebracht werden.
Bei Verwendung von mehreren über eine gekreuzte Phasenleitung angeschlossenen Reflektor-Elementen ist es aus Anpaßungsgründen notwendig, die Phasenleitung nicht direkt am Einspeisepunkt, an dem die vom Sender oder Empfänger kommende Speiseleitung angeschlossen ist, anzuschließen, sondern über eine "Umwegleitung". Diese wird gebildet durch eine parallel zum Elementrohr verlaufende Leitung und dem Elementrohr selbst. Die so gebildete Induktivität bewirkt, daß beim Betrieb auf der niedrigsten Frequenz ein nur geringfügiger Einfluß auf das Gesamtsystem erfolgt, während sich beim Betrieb auf der mittleren und höheren Frequenz eine erwünschte induktive Beeinflußung einstellt. Dadurch ist es möglich, unerwünschte kapazitive Anteile der Phasenleitung, verursacht durch die Rohre der Phasenleitung, auszugleichen. Damit ist es auch möglich, das Antennensystem besser an das Speisekabel anzupassen und die nutzbare Bandbreite zu erhöhen. Es zeigt sich, daß speziell im von 28.000 bis 29.700 KHz reichenden 10 m Band z. B. auch bei der Frequenz 29.700 KHz noch gute SWR-Anpassung (weniger 2) vorhanden ist. Außerdem ermöglichen die Umwegleitungen, (man verwendet sie auch an den Reflektoren) eine Steigerung des Vor-Rück-Verhältnisses, weil die genaue Phasenbeziehung der Elemente zueinander ohne Änderung von deren Abstand untereinander eingestellt werden kann.
Je nach gewünschtem Antennenparameter wird die Länge der Umwegleitung bemessen, sie ist typisch zwischen 0,3 und 1 m lang, wenn Frequenzen von 14 - 21 - 28 MHz verwendet werden. Dies entspricht einer Länge von 0,015 bis 0,05 k bezogen auf die niedrigste Frequenz.
Die Umwegleitung wird aus Rohr gefertigt, dessen Durchmesser 10 - 15 mm beträgt. Sie ist somit wesentlich dünner als die Elementrohre, die typisch 30 - 50 mm 0 haben.

Claims

1. Mehrelement Richtantenne für mehrere UKW- oder KW-Bereiche bestehend aus einer Grundeinheit (G) von drei elektrisch miteinander verkoppelten Dipolen (1, 2, 3) und aus einem oder mehreren über eine gekreuzte Phasenleitung (7) miterregten Reflektoren (6) und gegebenenfalls weiteren parasitär erregten Reflektor- oder Direktorelementen ohne als Sperrkreise ausgebildete Abstimmelemente, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundeinheit aus drei Dipolen besteht, die mechanisch so bemessen sind, daß der für den niedrigsten Frequenzbereich bestimmte Dipol (3) etwa die mechanische Länge eines frei schwingenden Dipols besitzt, während der Dipol (2) für die nächsthöhere Frequenz mechanisch um 5 - 20 ⁰ ₀ zu lang und der Dipol (1) für die höchste Frequenz entsprechend zu kurz bemessen ist und die drei Dipole allein durch gegenseitige Annäherung auf einen Abstand von 0.01 - 0.03 λ bezogen auf die niedrigste Frequenz, elektrisch so miteinander verkoppelt sind, daß sich die jeweils durch die Verlängerung bzw. Verkürzung der Elemente ergebenden induktiven bzw. kapazitiven Blindanteile unter gleichzeitiger Ausbildung der gewünschten Resonanzfrequenzen gegenseitig kompensieren, wobei die Dipole (2, 3) für den niedrigsten und mittleren Frequenzbereich gemeinsam direkt eingespeist werden, während der Dipol (1) für den höchsten Frequenzbereich parasitär erregt wird.

2. Mehrelement Richtantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zusatzleitung (10) nach Art einer offenen Lecherleitung, welche an dem vom Antennenfußpunkt abgewandten Teil der gekreuzten Phasenleitung (7) angeschlossen und auf eine Länge gebracht ist, welche das Gesamtsystem am Fußpunkt der Antenne auf den gewünschten Fußpunktwiderstand bringt.

3. Verfahren zur Abstimmung einer Mehrbereichsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den induktiven Blindanteil des zu langen Dipoles (2) der Grundeinheit mit dem kapazitiven Blindanteil des zu kurzen Dipoles (1) allein durch räumliche Annäherung kompensiert und die Antenne dadurch gleichzeitig auf die gewünschten Frequenzbereiche abstimmt, die von den Frequenzbereichen, die der mechanischen Länge eines jeweils gleichen frei schwingenden Dipols entsprechen, abweichen.