EP1672735B1

EP1672735B1 - Antenne mit magnetischem und kapazitivem Strahler

Info

Publication number: EP1672735B1
Application number: EP05405709A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Badertscher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: DE502005008273D1; CH702226B1; EP1672735A1; ATE445241T1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Antenne, insbesondere eine Sendeantenne.

Stand der Technik

In der DE 88 12 235 U1 sind magnetische Sende- und/oder Empfangsantennen beschrieben. Diese bekannten Antennen haben einen annähernd kreisringförmig gebogenen Ring, dessen Ringenden einen Plattenkondensator aufweisen, wobei eine Einstellung der Kondensatorkapazität über eine Verstellung des Plattenabstandes erfolgt. Bei der Verlängerung einer Kondensatorplatte oder einer teilweise nicht parallelen Weiterführung der Kondensatorplatten ändert sich wesentlich das Strahlungsdiagramm der Antenne. Gleichzeitig kommt zur magnetischen eine elektromagnetische Strahlungskomponente hinzu.
Aus der WO00/25385 A1 ist eine breitbandige Antenne bekannt, die sowohl elektrische als auch magnetische Dipole aufweist, die über sich verjüngende Elemente gespeist werden. Die äußeren Enden dieser Elemente sind durch schleifenförmige Elemente miteinander verbunden. Ferner können die Enden der kapazitiven Dipole gebogen sein, um eine erhöhte Endkapazität zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne, insbesondere eine Sendeantenne, mit einem guten Wirkungsgrad bei kleinen geometrischen Abmessungen zu schaffen.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definiert.
Ein typischer kapazitiver Strahler (kapazitive Antenne) 1 ist in Figur 1 dargestellt. Der kapazitive Strahler 1 hat zwei Strahlungsarme 3a und 3b und zwei zu den Strahlungsarmen 3a und 3b führende Abstandshalter 5a und 5b. Eine Energieeinspeisung erfolgt an den Anschlüssen 6a und 6b an den den Strahlungsarmen 3a und 3b abgewandten Enden der Abstandshalter 5a und 5b. Das elektrische Ersatzschaltbild dieses kapazitiven Strahlers 1 zeigt Figur 2 . Das Ersatzschaltbild beinhaltet eine mit einem Strahlungswiderstand R_E in Reihe geschaltete Kapazitat C_E .
Dipol- oder Monopolantennen, die vorwiegend ein elektrisches Feld abstrahlen, werden oft in einer verkürzten Form verwendet, indem die Strahlungsarme auf einen Bruchteil der optimalen Länge verkürzt werden (z.B. auf 1/10 der Wellenlänge). Derart verkürzte Strahlungsarme ergeben eine hohe, kapazitive Eingangsimpedanz.
Die Anpassung kapazitiver Strahler an ein übliches 50 Ohm-Koaxialkabel erfordert ein nicht dargestelltes Anpassnetzwerk, das meist aus Spulen und Kondensatoren besteht. Da Spulen nicht verlustfrei hergestellt werden können, erniedrigt sich der Wirkungsgrad durch Wärmeverluste in den Spulen zum Teil erheblich.
Ein typischer magnetischer Strahler (magnetische Antenne) 7 ist in Figur 3 dargestellt. Der magnetische Strahler 7 weist eine Spule mit vorzugsweise einer einzigen Windung 9 und einem einstellbaren Kondensator 11 für eine Frequenzabstimmung sowie eine kleine Einkoppelschlaufe 13 für eine Energiezufuhr auf. An die beiden Anschlüsse 14a und 14b der Einkoppelschlaufe 13 wird ein nicht dargestelltes Koaxialkabel oder ein sonstiger Hochfrequenzleiter angeschlossen. Der magnetische Strahler arbeitet in Resonanz, d.h. die exakte Frequenz muss mittels des Kondensators 11 eingestellt werden. Ein Frequenzbereich ergibt sich aus der Maximal- und Minimalkapazität des Kondensators 11.
In Figur 4 ist das elektrische Ersatzschaltbild des magnetischen Strahlers 7 dargestellt. Das Ersatzschaltbild zeigt einen Parallelschwingkreis, der aus einer Induktivität L, einer Kapazität C, einem Strahlungswiderstand R_M und einem Verlustwiderstand R_V besteht. In vielen Fällen ist R_V grösser als R_M. Hierdurch reduziert sich der Wirkungsgrad erheblich. Für viele Anwendungen ist zudem die schmale Arbeitsbandbreite des magnetischen Strahlers 7 nachteilig, d.h. der Kondensator 11 muss auch bereits bei kleinen Frequenzänderungen nachgestellt werden.
Wie bereits oben ausgeführt ist, wird nun erfindungsgemäss eine Kombination eines magnetischen Strahlers mit einem kapazitiven Strahler vorgenommen.
Vorzugsweise wird man den kapazitiven Strahler an der Peripherie des magnetischen Strahlers anordnen. Ein bevorzugter Ort ergibt sich, bei einem Anschluss des kapazitiven Strahlers im Bereich des Kondensators des magnetischen Strahlers. Der kapazitive Strahler wird dann mit der jeweils am Kondensator anliegenden HF-Spannung (Hochfrequenzspannung) gespeist. Vereinfacht ausgedrückt, macht der magnetische Strahler eine Impedanzanpassung für die Strahlungsarme des angekoppelten elektrischen Strahlers. Die Impedanzanpassung ist dann abhängig von der elektrischen Distanz vom Energieeinkopplungsort am magnetischen Strahler. Selbstverständlich kann ein Anschluss (Ankopplung) des elektrischen Strahlers auch an anderen Orten der Peripherie, der meistens nur aus einer Windung bestehenden Drahtschlaufe des magnetischen Strahlers, erfolgen.
Vorzugsweise wird man den elektrischen Strahler, d.h. seine Strahlungsarme in unmittelbarer Nähe zum Anschlusspunkt des Kondensators des magnetischen Strahlers anordnen, wobei der Begriff der unmittelbaren Nähe in der Regel durch konstruktive Zwänge vorgegeben ist. Man sollte jedoch darauf achten, dass ein Abstand von der wirksamen Kapazität höchstens λ/16 entfernt ist, wobei λ die Wellenlänge der abzustrahlenden Frequenz ist. Je näher die elektrischen Strahlungsarme am Kondensator angeordnet werden, desto besser ist eine Kopplung zum elektrischen Strahler und desto kleiner können geometrische Abmessungen bei gleicher Frequenz gewählt werden.
Vorzugsweise wird man die Strahlungsarme des kapazitiven Strahles in zueinander parallelen Ebenen liegend anordnen. Diese parallelen Ebenen kann man parallel zur Ebene des magnetischen Strahlers legen. Es können auch alle Strahlungselemente in einer einzigen Ebene angeordnet werden. Wie unten ausgeführt, kann dann durch eine entsprechende Auswahl der geometrischen Abmessungen des magnetischen und des kapazitiven Strahlers eine Optimierung eines Vor-/Rückwärtsverhältnisses erreicht werden, wodurch sich eine Richtantenne ergibt.
Durch eine kapazitive Belastung der Strahlungsarmenden (Endkapazitäten) kann zudem eine Verkürzung der Strahlungsarme erreicht werden.
Weitere Vorteile und Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Antenne ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen in

Fig. 1: einen typischen kapazitiven Strahler,
Fig. 2: ein elektrisches Ersatzschaltbild des in Figur 1 dargestellten kapazitiven Strahlers,
Fig: 3: einen typischen magnetischen Strahler,
Fig. 4: ein elektrisches Ersatzschaltbild des in Figur 3 dargestellten magnetischen Strahlers,
Fig. 5: eine Ausführungsform einer Antenne,
Fig. 6: ein elektrisches Ersatzschaltbild zu der in Figur 5 gezeigten Antenne,
Fig. 7: ein zum Ersatzschaltbild in Figur 6 modifiziertes, elektrisches Ersatzschaltbild,
Fig. 8: ein Strahlungsfeld im Fernfeld links und rechts eines kapazitiven Strahlers mit dem in der Papierebene liegenden Strahlungsarmen 29a und 29b in perspektivischer Darstellung mit den elektrischen Feldvektoren E_K (in der Papierebene) und den magnetischen Feldvektoren B_K1 und B_K2 (senkrecht nach vorne und nach hinten zur Papierebene stehend),
Fig. 9: ein Strahlungsfeld im Fernfeld links und rechts eines magnetischen Strahlers, dessen Windung in der Papierebene liegt, in perspektivischer Darstellung mit den elektrischen Feldvektoren E_M1 und E_M2 in der Papierebene sowie den magnetischen Feldvektor B_M senkrecht aus der Papierebene nach vorne stehend,
Fig. 10: ein Ausführungsbeispiel zu der in Figur 5 erklärten Antenne,
Fig. 11: ein Diagramm für ein Leistungsverhältnis P_E / P_M von abgestrahlter elektrischer P_E zu magnetischer Leistung P_M in Abhängigkeit von einer auf die Wellenlänge λ normierten wirksamen Länge ℓ der beiden kapazitiven Strahler bei einer Antennenresonanzfrequenz vom 14 MHz, gemäss Ausführungsbeispiel,
Fig. 12: ein Diagramm für einen Antennenwirkungsgrad W über einer normierten Strahlerlänge ℓ/λ einer auch dem Diagramm in Figur 11 zugrunde gelegten Antenne,
Fig. 13: ein Diagramm für eine Bandbreite B in Kilohertz über einer normierten Strahlerlänge ℓ / λ einer auch dem Diagramm in Figur 11 zugrunde gelegten Antenne,
Fig. 14: eine Variante des kapazitiven Strahlers einer in Figur 5 dargestellten Antenne,
Fig. 15: eine weitere Variante zu der in Figur 14 dargestellten Antenne,
Fig. 16: eine weitere Antennenvariante mit gegenüber Figur 10 anders angeordneten kapazitiven Strahlern,
Fig. 17: eine Antennenvariante zu der in Figur 16 gezeigten Antenne mit kapazitiven Strahlern, welche einen Winkel von 90° miteinander einschliessen,
Fig. 18: eine Antennenvariante zu der in Figur 5 dargestellten Antenne, wobei die beiden kapazitiven Strahler weder parallel zueinander angeordnet sind, noch miteinander fluchten,
Fig. 19: eine Antennenvariante zu der in Figur 17 dargestellten Antenne, wobei die beiden kapazitiven Strahler als Seitenverlängerung einer quadratischen Windung des magnetischen Strahlers ausgebildet sind und miteinander fluchten,
Fig. 20: eine Ausführungsvariante zur Antennendarstellung in Figur 16 , wobei die beiden kapazitiven Strahler in einer Ebene senkrecht zur Ebene des magnetischen Strahlers liegen,
Fig. 21: eine Ausführungsvariante zur Antennendarstellung in Figur 16 , wobei jeder kapazitive Strahler in einer voneinander distanzierten parallelen Ebene liegt, zu denen mittig der magnetische Strahler angeordnet ist,
Fig. 22: eine Antennenausführungsvariante für eine Antennenanordnung als sogenannte gedruckte Schaltung,
Fig. 23: eine Skizze, in der mögliche Anschlussorte eines kapazitiven Strahlers an einen magnetischen Strahler aufgezeigt werden,
Fig. 24: eine schematische Darstellung einer p-förmig ausgebildeten Antenne und
Fig. 25: eine Ansicht in Blickrichtung XXV der in Figur 24 dargestellten Antenne in technischer Ausführung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die in Figur 5 in einer Ausführungsform dargestellteAntenne 15 ist eine Kombination eines magnetischen Strahlers mit einem kapazitiven Strahler. Die Antenne 15 hat zwei kapazitiv wirkende Strahlungsarme 17a und 17b, zwei Abstandshalter 19a und 19b, einen in seinem Kapazitätswert einstellbaren Kondensator 22, eine einzige kreisförmig gebogene Windung 20 und eine Energieeinkopplung 21. Die Energieeinkopplung 21 weist zwei Anschlüsse 23a und 23b auf. Einer der Anschlüsse 23b ist hier vorzugsweise geerdet. Die Energieeinkopplung 21 ist an einem in der Lage auf der Windung 20 einstellbaren Ort 24 mit dieser elektrisch verbunden. Die beiden Anschlüsse 23a und 23b werden in der Regel an ein Koaxialkabel angeschlossen, durch das die Sendeleistung zugeführt wird. Betreffend einer optimalen Lage des Einkoppelorts 24 werden unten weitere Angaben gemacht.
Die Strahlungsarme 17a und 17b sind über einen Abstandshalter 19a und 19b in der Nähe des in der Windung 20 liegenden Kondensators 22 mit je einem dessen Anschlusses elektrisch verbunden, so dass sie mit der dort vorhandenen HF-Spannung gespeist werden. Ein Ende jedes Abstandshalters 19a bzw. 19b ist elektrisch mit der Drahtschlaufe 20 und das jeweils andere Ende mit einem Ende je eines Strahlungsarms 17a bzw. 17b unter einem Winkel von 90° galvanisch verbunden. Die Strahlungsarme 17a und 17b, die Abstandshalter 19a und 19b und die Drahtschlaufe 20 liegen hier in ein- und derselben Ebene, wobei die beiden Strahlungsarme 17a und 17b miteinander fluchten.
Figur 6 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild 25 zu der in Figur 5 gezeigten Antenne 15. Das Ersatzschaltbild 25 beinhaltet eine Induktivität L mit hier lediglich einer einzigen Windung 20. Ferner weist das Ersatzschaltbild 25 eine Kapazität C des Kondensators 22, eine Kapazität C_E der Strahlungsarme 17a und 17b, einen Strahlungswiderstand R_E des kapazitiven Strahlers, einen Strahlungswiderstand R_M des magnetischen Strahlers und einen Verlustwiderstand R_V der gesamten Antenne 15 auf. Die magnetische Antenne, als ein Teil dieser Kombination ( Figur 5 ), erfüllt eine Doppelfunktion: Sie strahlt ein magnetisches Feld ab und gleichzeitig transformiert sie die HF-Spannung für den kapazitiven Strahler, welcher ein elektrisches Feld abstrahlt.
Figur 7 zeigt ein für die nachfolgenden Abschätzungen verwendetes, modifiziertes, elektrisches Ersatzschaltbild 27, welches mit den nachfolgenden Umformungen aus dem in Figur 6 dargestellten Ersatzschaltbild 25 hervorgegangen ist. Die Elemente C_E, C, R_M und R_V sind in den beiden Ersatzschaltbildern 25 und 27 gleich geblieben. Der Widerstand R_E' ist der in einen magnetischen Teil der Antenne 15 transformierte Strahlungswiderstand R_E des kapazitiven Strahlers.
Ein Strom i im magnetischen Kreis der Antenne 15 wird gemäss dem Ersatzschaltbild 25 in Figur 6 aufgeteilt in die beiden Teilströme i₁ und i₂ $i = i_{1} + i_{2} .$
Ein kapazitive Blindwiderstand X_C des Kondensators 26 mit der Kapazität C ergibt sich bei einer Resonanzfrequenz f zu $X_{C} = 1 / (2 \cdot π \cdot f \cdot C) .$
Ein kapazitiver Blindwiderstand X_CE des kapazitiven Strahlers mit den Strahlungsarmen 17a und 17b mit der Kapazität C_E ergibt sich bei der Resonanzfrequenz f zu $X_{C E} = 1 / (2 \cdot π \cdot f \cdot C_{E}) .$
Für den im Kondensator 26 fliessenden Strom i₁ gilt bei einer über dem Kondensator 26 liegenden Spannung u $i_{1} = u / X_{C} .$
Bei einem kapazitiven Strahler mit in einer Ausführungsvariante kurzen Strahlungsarmen 17a und 17b ist der kapazitive Blindwiderstand X_C viel grösser als der Strahlungswiderstand R_E.
Für den Strom i₂ im kapazitiven Strahler gilt näherungsweise $i_{2} = u / X_{C E} .$
Mit einer Division der obigen Gleichungen für die Ströme i₁ und i₂ lässt sich die Spannung u eliminieren: $i_{1} / i_{2} = X_{C E} / X_{C} .$
Wird der Strom i₁ unter Verwendung von Gleichung (1) in Gleichung (2) eliminiert, so ergibt sich für den Strom i₂ $i_{2} = i \cdot 1 / [(X_{C E} / X_{C}) + 1] .$
Daraus ergibt sich eine abgestrahlte elektrische Leistung P_E durch den kapazitiven Strahler zu $P_{E} = i_{2}^{2} \cdot R_{E} = i^{2} \cdot 1 / {((X_{C E} / X_{C}) + 1)}^{2} \cdot R_{E}$

oder $P_{E} = i^{2} \cdot {R^{'}}_{E} mit {R^{'}}_{E} = 1 / {[(X_{C E} / X_{C}) + 1]}^{2} \cdot R_{E} .$
R_E' ist in dem in Figur 7 dargestellten Ersatzschaltbild eingezeichnet. Der Strom i durchfliesst den transformierten Strahlungswiderstand R_E' und strahlt die gleiche elektrische Leistung ab wie der im Ersatzschaltbild in Figur 6 eingezeichnete Strahlungswiderstand R_E, durch den der Strom i₂ fliest.
Eine magnetische Leistungsabstrahlung P_M erfolgt durch den magnetischen Strahler, gebildet aus der Windung 20 und dem Kondensator 22.
Bezüglich der abgestrahlten elektrischen Leistung P_E im Verhältnis zur abgestrahlten magnetischen Leistung P_M gilt $P_{E} / P_{M} = (i^{2} \cdot {R^{'}}_{E}) / (i^{2} \cdot R_{M}) = {R^{'}}_{E} / R_{M},$
Die erfindungsgemässe Antenne, obwohl sie einen magnetischen Strahler enthält, hat gegenüber einem "reinen" magnetischen Strahler, wie unten ausgeführt wird, einen höheren Wirkungsgrad W und eine grössere Bandbreite B und kann bei geeigneter Wahl der Antennengeometrie zudem einen Richteffekt erzeugen. Das Verhältnis P_E / P_M steigt mit der Länge L des kapazitiven Strahlers an. Bei einer bestimmten Länge L des kapazitiven Strahlers wird R_E' = R_M, dann wird P_E/P_M = 1, d.h. die magnetisch abgestrahlte Leistung P_M ist gleich gross wie die elektrisch abgestrahlte Leistung P_E. Die Antenne 15 erzeugt in diesem Fall einen Richteffekt (siehe Ausführungsbeispiel).
Der Richteffekt der Antenne 15 wird an Hand der Figuren 8 und 9 erläutert. Die Figur 8 zeigt das elektrische und das magnetische Strahlungsfeld E_K und B_K im Fernfeld eines kapazitiven Strahlers mit den Strahlungsarmen 29a und 29b, welche in der Papierebene liegen. Das elektrische Fernfeld links und rechts der Strahlungsarme 29a und 29b liegt in der hier gezeigten Momentaufnahme in der Papierebene, wobei das elektrische Feld E_K auf der linken wie auch auf der rechten Seite noch oben zeigt. Die magnetischen Fernfeldvektoren B_k1 und B_K2, erzeugt durch die beiden Strahlungsarme 29a und 29b des kapazitiven Strahlers, stehen auf deren linken Seite senkrecht auf der Papierebene nach hinten zeigend (B_K1) und auf der rechten Seite senkrecht auf der Papierebene nach vorne zeigend (B_K2).
Figur 9 zeigt eine zu Figur 8 analoge Darstellung, jedoch für einen magnetischen Strahler, dessen Windung 31 in der Papierebene liegt. Rechts der Windung 31 zeigt der elektrische Fernfeldvektor E_M2 in der Papierebene liegend nach oben und auf der linken Seite der Windung 31 zeigt der elektrische Fernfeldvektor E_M1 in der Papierebene liegend nach unten.
Die magnetischen Fernfeldvektoren B_M des magnetischen Strahlers stehen beide auf der Papierebene senkrecht und zeigen nach vorne.
Da hier nun ein elektrischer und ein magnetischer Strahler zusammen arbeiten, ist eine Überlagerung der in den Figuren 8 und 9 gezeigten Fernfeldvektoren vorzunehmen:

Auf der linken Seite des elektrischen und des magnetischen Strahlers gilt nun für die Fernfeldstärke
EK - EM1 und BK1 - BM
und auf der rechten Seite des elektrischen und des magnetischen Strahlers gilt nun für die Fernfeldstärke
EK + EM2 und BK2 + BM.

In einem Spezialfall, bei dem kapazitiver und magnetischer Strahler dieselbe Leistung abstrahlen, verdoppeln sich die Strahlungsvektoren auf der rechten Seite der Antenne (y-Richtung in der Papierebene) und auf der linken Seite kompensieren sie sich.
Die erfindungsgemässe Antenne, welche aus einer Kombination eines magnetischen und eines kapazitiven Strahlers zusammengesetzt ist, ist eine Richtungsantenne.

Berechnen des Wirkungsgrades

Der Wirkungsgrad W ergibt sich zu $\begin{array}{l} W = i^{2} \cdot ({R^{'}}_{E} + R_{M}) / [i^{2} \cdot ({R^{'}}_{E} + R_{M} + R_{V})] \\ W = ({R^{'}}_{E} + R_{M}) / ({R^{'}}_{E} + R_{M} + R_{V}) . \end{array}$
Der Wirkungsgrad steigt mit der Länge der kapazitiven Strahler 17a und 17b bzw. 29a und 29b an.
Die Bandbreite B ergibt sich aus einer Kreisgüte Q gemäss der nachfolgenden Beziehung $B = f / Q .$
Falls X_CE >> X_C kann die Kreisgüte Q näherungsweise berechnet werden mit $Q = X_{C} / ({R^{'}}_{E} + R_{M} + R_{V}) .$
Damit ergibt die Bandbreite B zu $B = f / Q = f \cdot ({R^{'}}_{E} + R_{M} + R_{V}) / X_{C} .$
Erweitert mit (R_M + R_V) und umgeformt ergibt sich $B = f \cdot (R_{M} + R_{V}) / X_{C} \cdot ({R^{'}}_{E} + R_{M} + R_{V}) / (R_{M} + R_{V})$

oder $B = B_{0} \cdot ({R^{'}}_{E} + R_{M} + R_{V}) / (R_{M} + R_{V})$

mit $B_{0} = f \cdot (R_{M} + R_{V}) / X_{C},$

wobei B₀ die Bandbreite der rein magnetischen Antenne ohne die kapazitiven Strahler ist. Die Bandbreite B vergrössert sich mit der Länge der kapazitiven Strahler.
Anstelle der galvanischen Verbindung, wie oben ausgeführt, der Drahtschlaufe 20 mit den beiden kapazitiv wirkenden Strahlungsarmen 17a und 17b über die Abstandshalter 19a und 19b kann auch eine kapazitive Verbindung z.B. durch eine isolierende Durchführung vorgenommen werden. Eine derartige Verbindung wird gewählt, wenn diese potentialfrei sein soll.
Falls die Antenne 15 nur für ein schmales Frequenzband verwendet werden soll, kann beispielsweise der Drehkondensator 22 weggelassen werden. Die Resonanzfrequenz wird dann massgeblich durch die Kapazität C_E der kapazitiven Strahler 17a und 17b und der durch die Abstandshalter gebildeten Kapazität bestimmt. Eine geringfügige Frequenzvariation ist möglich, wenn die Kapazität C_E durch eine Änderung der Abmessungen der elektrischen Strahler 17a und 17b oder deren Position verändert wird. In diesem Falle empfiehlt es sich, eine mechanische Justierung der kapazitiven Strahler vorzusehen.
Eine Untermauerung obiger Ausführungen wird mit dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel vorgenommen. Eine Antenne 35 als Ausführungsvariante zur Antenne 15 hat einen quadratischen Rahmen 37 mit einer Seitenlänge von 75 cm; ergibt einen Umfang von 3 m. Jede Rahmenseite 39a bis 39d hat ein L-förmiges Aluminiumprofil, wobei das Aluminium eine Materialdicke von 2 mm und das Profil Flansche mit den Abmessungen von 50 mm bzw. 30 mm hat. Der Rahmen wirkt als eine einzige Windung der magnetischen Teilantenne. Im Rahmen 37 ist analog zur Kapazität 22 ein Drehkondensator 40 eingesetzt. Der Drehkondensator 40 kann in einem Kapazitätsbereich von 10 pF bis 65 pF eingestellt werden, wodurch die Antenne 35 einen einstellbaren Frequenzbereich von 14 MHz bis 30 MHz erhält. Für das Berechnungsbeispiel wird ein Kapazitätswert des Drehkondensators 40 von 65 pF gewählt, wodurch sich eine Resonanzfrequenz f vom 14 MHz ergibt.
Die kapazitiven Strahler 41a und 41 b analog zu den kapazitiven Strahlern 17a und 17b sind aus einem Aluminiumprofil mit einer jeweiligen Länge von 1,1 m hergestellt. Hieraus ergibt sich eine Strahlerlänge von 2,2 m. Die beiden Strahler 41a und 41b wurden neben dem Drehkondensator 40 mittels zweier Abstandshalter 43a und 43b (jeder 15 cm) ebenfalls aus Aluminium angeschlossen. Ein Verlustwiderstand R_V dieser Antenne 35 ist aus der Messung der Bandbreite B₀ der rein magnetischen Antenne (Rahmen 37 mit Drehkondensator 40, ohne die beiden kapazitiven Strahler 41a und 41b) auf R_V = 0,15 Ω bestimmt worden. Für die Darstellung in den Diagrammen wurde die Gesamtlänge ℓ der kapazitiven Strahler in einem Bereich von 0 bis 4 m variiert.
Der Strahlungswiderstand R_E des kapazitiven Strahlers, der Strahlungswiderstand R_M des magnetischen Strahlers und der kapazitive Blindwiderstand X_CE des kapazitiven Strahlers lassen sich mittels bekannter Formeln der Antennentechnik wie folgt berechnen (siehe beispielsweise Rothammel, Antennenbuch, DARC-Verlag, 12. Auflage, Seiten 73, 333 und 429-431): $R_{E} = 197 \cdot {(Gesamtlänge der kap . Strahler / λ)}^{2} = 197 \cdot {(ℓ / 21, 4)}^{2}$
$R_{M} = 197 \cdot {(Umfang des magnetischen Strahlers / λ)}^{4} = 197 \cdot {(3 / 21, 4)}^{4} = 0, 076 Ω$
$X_{C E} = Mittlere Wellenimpedanz / \tan (π \cdot ℓ / λ) = 400 / \tan (3, 14 \cdot ℓ / 21, 4)$
Mittels der Formeln (3), (4), (5) und (6) lassen sich P_E/P_M, W, B in Abhängigkeit von der Länge ℓ der kapazitiven Strahler berechnen.

ℓ/λ P_E/P_M W B [kHz]

0 0 0,34 18

0,05 0,03 0,34 18

0,1 0,4 0,41 21

0,15 1,94 0,6 30

0,2 9,06 0,78 55
Die Ergebnisse der Berechnungen sind in den Diagrammen der Figuren 11, 12 und 13 grafisch dargestellt.
Figur 11 zeigt den Einfluss einer wirksamen Länge ℓ der beiden kapazitiven Strahler 17a und 17b zusammen bezogen auf die Wellenlänge λ einer Resonanzfrequenz vom 14 MHz der Antenne 35. Auf der Ordinate ist das Verhältnis von abgestrahlter elektrischer zu abgestrahlter magnetischer Leistung P_E / P_M aufgetragen. Wie zu erwarten war, steigt der Wert des Leistungsverhältnisses von P_E / P_M überproportional mit der Länge ℓ der Strahlerarme.
Figur 11 kann wie folgt interpretiert werden: Falls die kapazitiven Strahler 17a und 17b die Länge null haben, wird nur magnetische Leistung abgestrahlt (P_E = 0). Je länger die kapazitiven Strahler 17a und 17b im Vergleich zur Wellenlänge λ ausgelegt werden, desto höher wird der Anteil der elektrisch abgestrahlten Leistung P_E. Ist P_E / P_M =1, so wird gleich viel elektrische wie magnetische Leistung abgestrahlt; das ist bei einer Länge ℓ/λ = 0,124 (gestrichelte Linie in Figur 11 ) der Fall. Bei dieser Strahlerlänge erzeugt die Antenne eine optimale Richtwirkung (maximale Richtwirkung). Die angefertigte Antenne erfüllte annähernd diese Bedingung. Messungen ergaben ein Vor-/Rückwärtsverhältnis von ca. 12 db.
Der Wirkungsgrad W und die Bandbreite B in Kilohertz einer oben beschriebenen Antenne 35 in Abhängigkeit von einer auch hier auf die Wellenlänge λ genormte Strahlerlänge ℓ/λ ist in Figur 12 bzw. 13 dargestellt. Beide Kurven steigen über der Länge ℓ überproportional.
In den Figuren 14 und 15 sind Antennenvarianten 44 und 46 zu der in Figur 5 dargestellten Antenne 15 gezeigt. Die kapazitiven Strahler, hier mit 45a und 45b bzw. 47a und 47b bezeichnet, können verkürzt werden, in dem wie in Figur 14 angedeutet, am jeweiligen Ende des Strahlers 45a bzw. 45b eine Endplatte 49a bzw. 49b angeordnet ist. Vorzugsweise wird man diese Platte 49a bzw. 49b kreisförmig ausbilden; es kann aber auch eine andere Kontur verwendet werden. In Figur 14 sind beide Platten 49a und 49b identisch ausgebildet. Es können jedoch auch unterschiedlich ausgebildete Platten verwendet werden und somit die Längen der beiden kapazitiven Strahler unterschiedlich lang ausgebildet sein.
Anstelle der Endplatten 49a und 49b können die kapazitiven Strahler 47a und 47b, wie in Figur 15 angedeutet ist, auch in ihrem Umfang verändert, hier verdickt, werden. Vorzugsweise wird man die Verdickungen kreiszylindrisch ausbilden. Es können jedoch auch andere Formen, wie beispielsweise in Stablängsrichtung angeordnete Platten, verwendet werden.
Die kapazitiven Strahler 17a/b, 41a/b, 45a/b und 47a/b in den Figuren 5 , 10, 14 und 15 befinden sich immer aussen an der Windung 20, 37, 50 und 51 des magnetischen Strahlers. Das muss aber nicht so sein. Ein Strahlungsarm 53a kann auch, wie bei einer in Figur 16 dargestellten Antenne 52, innerhalb einer Windung 54 des magnetischen Strahlers angeordnet sein. Ein zweiter kapazitiver Strahler 53b verläuft parallel zum Strahler 53a. Die Fusspunkte beider Strahler 53a und 53b liegen beidseits der Anschlussorte eines Kondensators 55.
Der in Figur 16 annähernd als quadratischer Rahmen dargestellte magnetische Strahler 54 kann auch kreisförmig ausgebildet sein. Auch können an den freien Enden der dortigen kapazitiven Strahler 53a und 53b zur Ebene des Kreises des magnetischen Strahlers 54 und den Antennenteilen 53a und 53b senkrecht verlaufende Antennenteile angeordnet werden.
Aus Platzgründen kann auch der in Figur 16 nach unten gerichtete Antennenteil 53a in zwei oder mehrere Antennenteile aufgeteilt werden, welche dann am selben Ort des kapazitiven Teilstrahlers 53a angeschlossen werden und senkrecht zum Antennenteil 53b und senkrecht zur Ebene verlaufen, in der der magnetische Strahler 54 liegt.
In den Figuren 5 , 10, und 14 bis 16 skizzierten Antennen sind jeweils zwei fluchtende oder parallel zueinander liegende kapazitive Strahler 17a/b, 41a/b, 45a/b, 47a/b und 53a/b vorhanden. Auch das muss nicht sein. Es kann auch mit nicht parallelen kapazitiven Strahlern 57a und 57b, wie in einer Antennenvariante 58 in Figur 17 dargestellt ist, gearbeitet werden. Dieser kapazitive Strahler 57 ist hier zudem nicht in unmittelbarer Nähe eines Drehkondensators 59 angeordnet. In Figur 17 hat der magnetische Strahler eine quadratische Windung 60. Diese Windung kann jedoch auch, wie in den Figuren 5 , 14 und 15 angedeutet, kreisförmig sein. In Figur 17 stehen die beiden kapazitiven Strahler 57a und 57b unter einem Winkel von 90° zueinander. Auch dies muss nicht sein, wie eine weitere Antennenvariante 62 in Figur 18 zeigt, in der zwei kapazitive Strahler 61a und 61b einen von 90° und von einer parallelen bzw. fluchtenden Anordnung abweichenden Winkel miteinander haben.
In Figur 17 sind die beiden kapazitiven Strahler 57a und 57b als Seitenverlängerungen der quadratischen Windung 60 des magnetischen Strahlers ausgebildet. Diese Seitenverlängerungen können nun, wie anhand einer weiteren Antennenvariante 64 in Figur 19 dargestellt ist, auch derart ausgebildet sein, dass die kapazitiven Strahler 63a und 63b miteinander fluchten.
In den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen liegen der magnetische und der kapazitive Strahler in einer Ebene. Auch das muss nicht sein. In Figur 20 ist mit Blickrichtung von oben, also in der Zeichnungsebene der vorgängigen Beispiele von der oberen Blattseite nach unten, eine weitere erfindungsgemäße Antennenvariante 68 dargestellt. Eine Windung des magnetischen Strahlers erscheint nun lediglich als Strich 65, wobei die durch die Zeichnungsebene nach hinten verlaufenden Windungsteile zur dreidimensionalen Verdeutlichung als Pfeilende 66a und 66b gekennzeichnet sind. Neben einem Drehkondensator 67 verlaufen hier zwei kapazitive Strahler 69a und 69b in einer Ebene senkrecht zu einer Ebene in der die Windung 65 des magnetischen Strahlers liegt.
In Figur 21 ist eine weitere erfindungsgemäße Antennenausführungsvariante 70 gezeigt, bei der die beiden kapazitiven Strahler 71a und 71b in parallelen Ebenen zur Ebene des magnetischen Strahlers derart angeordnet sind, dass die Ebene des magnetischen Strahlers 72 zwischen den beiden Ebenen der kapazitiven Strahler liegt.
In Figur 22 ist eine Antennenanordnung 75 für beispielsweise Resonanzfrequenzen oberhalb 300 MHz dargestellt. Eine quadratische Windung 73 und zwei kapazitive Strahler 74a und 74b sind hier als Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung 85 ausgeführt. Als Kapazität 76 wirken hier die beiden benachbarten Zuleitungen 83a und 83b zu den zwei kapazitiven Strahlern 74a und 74b. Bei jedem Übergang einer Zuleitung 83a bzw. 83b in die quadratische Windung 73 des magnetischen Strahles ist ein Durchbruch 84a bzw. 84b in der gedruckten Schaltung ausgebildet. Die beiden Durchbrüche 84a und 84b sind Steckanschlüsse für einen kapazitiven Trimmer zur Feinabgleichung der Resonanzfrequenz f. Eine Energieeinspeisung in die Antenne 75 erfolgt am Anschluss 81a und eine Erdung am Anschluss 81b.
Anwendungsgebiete einer analog zur in Figur 22 ausgebildeten Antenne 75, sofern diese Antenne auf eine Folie gedruckt wird, sind beispielsweise ein Diebstahlschutz von Verkaufsgegenständen, welche diese preisgünstig herzustellende Antenne tragen. Die gedruckte Antenne kann zudem mit einer einfachen Elektronik gekoppelt werden. Über die aufgedruckte Antenne würde dann von einem Sender, welcher beispielsweise in der Nähe einer Registrierkasse oder eines Ausgangs eines Warenhauses angeordnet ist, Versorgungsenergie für die angekoppelte Elektronik (Chip) empfangen. Der Chip könnte dann ein Warenidentifizierungssignal kreieren, welches vom Sender empfangen und verarbeitet wird. Ein Abscannen eingekaufter Waren an der Kasse würde somit entfallen; sämtliche Waren in einem Warenkorb würden ohne ein Herausnehmen funktechnisch erkannt und verrechnet werden.
Die Anschlüsse für den kapazitiven Trimmer müssen nicht als Durchbrüche ausgebildet sein; es können lediglich Lötpunkte vorhanden sein.
Die die Resonanzfrequenz f bestimmende Kapazität kann durch eine entsprechende Anordnung der Zuleitungen zu den Strahlungsarmen erzeugt werden. Oftmals ist jedoch ein Feinabgleich dieser Resonanzfrequenz f gewünscht. Ein Feinabgleich kann nun, wie oben bei der Antenne 75 beschrieben, mit dem eingelöteten kapazitiven Trimmer vorgenommen werden. Weitere kapazitive Trimmer sind in den Figuren 5 , 10, 14, 15, 17 bis 21 und 23 angedeutet.
Die in Figur 5 dargestellte Antenne 15 kann jedoch derart abgeändert werden, dass der Drehkondensator 22 (kapazitiver Trimmer) entfernt wird und die beiden nun entstehenden freien Enden 87a und 87b der Windung 20 zur mechanischen Stabilität mit einer isolierenden (nicht dargestellten) Lasche verbunden werden. Auf dem Abstandshalter 19b etwa in dessen unterem Drittel wird senkrecht zur Ausdehnung des Abstandshalters 19b eine (nicht dargestellte) Platte angeordnet. Auf dem Abstandshalter 19a wird eine weitere (ebenfalls nicht dargestellte), entlang des Abstandshalters verstellbare Platte angeordnet, wobei diese Platte über die Platte auf den Abstandshalter 19b greift. Zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz f wird nun der Abstand der beiden Platten gegeneinander verändert, wobei der Kapazitätswert um so grösser ist, je grösser die Plattenausdehnung ausgebildet sind und je kleiner deren gegenseitiger Abstand ist. Es kann nun eine der Platten auf dem betreffenden Abstandshalter fixiert sein, während die andere auf ihrem Abstandshalter verschiebbar, über eine Klemmhalterung fixierbar ausgebildet ist. Sofern die Resonanzfrequenz f nicht allzu hoch gewählt ist, können die Abstandshalter 19a und 19b als Gewindestangen ausgebildet sein, auf denen dann beide oder nur einer der Platten durch Verdrehen in der Lage veränderbar ist bzw. sind.
Bildet man die Platten als Laschen aus, so kann der Kapazitätswert auch durch ein gegeneinander Verschwenken der Laschen verändert werden.
Die kapazitiven Strahler sollten in der Nähe der Anschlussorte des Drehkondensators angeordnet sein; d.h. die elektrischen Anschlussorte (z.B. Abstandshalter) 78a und 78b des kapazitiven Strahlers 79 sollten in der Nähe der Fusspunkte 77a und 77b des Drehkondensators 79 liegen ( Figur 23 ). Sie können jedoch auch in einem Abstand von den Fusspunkten 77a und 77b entfernt, also im Bereich A₁ und A₂ angeordnet werden. Vorzugsweise wird man einen symmetrischen Abstand wählen Es ist nicht sinnvoll die Anschlussorte zwischen den Energieeinspeisungspunkten 80a und 80b anzuordnen; also nicht zwischen den Punkten 24 bzw. 80a und dem Erdungspunkt 23b bzw 80b. Eine Verschiebung der Anschlussorte verändert die an den kapazitiven Strahlern liegende HF-Spannung. Je grösser ein Abstand von den Punkten 24 bzw. 80a und 23a bzw. 80b gewählt ist, desto grösser ist der lmpedanzwert.
Die konstruktiven Aufbauten der oben dargestellten Antennen 5, 10, 14 bis 22 haben jeweils eine Symmetrieebene betreffend den wenigstens einen kapazitiven Strahler und den wenigstens einen magnetischen Strahler. Wird eine derartige symmetrische Anordnung gewählt, so ist der Einspeisungsort für die Sendeleistung spannungsneutral. Eine Spannungsneutralität am Einspeisungsort sollte gegeben sein, damit auf einer Energiezuleitung keine sogenannten Mantelwellen entstehen können. Derartige Mantelwellen würden nämlich die Strahlungscharakteristik, den Gewinn und die Qualität der Antenne verändern. Zudem würde sich diese Charakteristik auch noch ändern, sofern Lageänderungen der Energiezuleitung vorgenommen werden.
Es kann sich nun beispielsweise ergeben, dass die Antenne aufgrund der Umgebung nicht mehr symmetrisch aufgebaut werden kann, weil beispielsweise ein nach unten gerichteter Antennenteil eines kapazitiven Strahlers in einer Ausgestaltungsvariante analog der Figuren 16 oder 20 den Erdboden berühren würde. In einem derartigen Fall würde man den betreffenden Antennenteil entsprechend kleiner ausbilden und mit einer Endkapazität (wie beispielsweise 47a oder 47b der Figur 15 ) oder mit mehreren Teilstrahlern versehen. In diesem Fall würde man auch den Einspeisungsort verschieben bis er spannungsneutral ist.
Es kann somit die in Figur 5 dargestellte Antenne 15 unter einer Aufgabe ihrer Symmetrie, wie in den Figuren 24 und 25 dargestellt, als p-förmige Antenne 90 ausgebildet sein., wobei kein elektrisch leitender Übergang zwischen dem linearen Teil 91 und den an ihn anstossenden kreisförmigen Teilstück 92 mehr besteht; es ist hier eine Lücke 93 vorhanden. Unter "ρ-förmig" wird eine Form entsprechend dem griechischen Buchstaben rho verstanden. An dem freien Ende des kreisförmigen Teils ist ein gerades Antennenteilstück 94, senkrecht zum linearen Teil des "ρ"'s angeordnet. Das gerade Teilstück 94 bildet zusammen mit dem linearen Teil 91 eine Kapazität, welche durch eine Veränderung der Lückenbreite d einstellbar ist. Das kreisförmige Teilstück 92 ist der magnetische Strahler und der lineare und der gerade Teil 91 und 94 bilden den kapazitiven Strahler. Die Energieeinspeisung 95 erfolgt am Scheitel des kreisförmigen Teils 92. Eine derartige Antenne hat eine gute Richtwirkung. Sie ist preisgünstig in der Herstellung und könnte somit vorzugsweise bei der Übermittlung von Informationsdatensätzen in Ad-hoc-Netzen eingesetzt werden, wie sie beispielsweise zwischen Fahrzeugen untereinander (car-to-car) zur Anwendung kommen oder bei irgendwelchen mobilen oder portablen Einsätzen verwendet werden.
Anstelle einer p-förmigen Ausbildung, welche für hohe Frequenzen (etwa ab 100 MHz) besonders geeignet ist, kann auch eine b-förmige Ausbildung vorgenommen werden, welche für tiefe Frequenzen (unter 10 MHz) besonders geeignet ist. Bei der b-förmigen Ausbildung kann nämlich zur Erhöhung der mechanischen Stabilität an einen geraden Stab bzw. an ein Flachelement ein halbkreisförmiges Teil angeschweisst bzw. angelötet werden.
Der magnetische Strahler weist, wie in Figur 3 gezeigt, eine Kapazität auf. Der elektrische Strahler, wie schematisch in Figur 1 dargestellt, bildet mit seinen Strahlungsarmen nun ebenfalls eine Kapazität. Eine durch die mechanische Konstruktion sich ergebende Kapazität, gebildet durch die Strahlungsarme des elektrischen Strahlers, kann nun unter einer Verwendung mehrerer Strahlungsarme mit und ohne Veränderungen an den Armenden (siehe z. B. die Endplatten 49a und 49b in Figur 14 ) derart ausgebildet sein, dass sie gerade der vorgegebenen Kapazität des magnetischen Strahlers entspricht. Zu Abstimmungszwecken kann dann noch eine Teilkapazität vorgesehen werden. Eine Wirkung einer Abstimmung kann jedoch auch dadurch erreicht werden, dass geometrische Abstände zwischen den den elektrischen Strahler bildenden Einheiten vorgenommen werden. Eine derart ausgebildete Antenne bestehend aus einer Kombination wenigstens eines magnetischen Strahlers mit wenigstens einem kapazitiven Strahler zeichnet sich durch einen kompakten, raummässig reduzierten Aufbau aus, der sich in der Regel zudem auch noch preisgünstig herstellen lässt.

Claims

Antenne (15, 35, 44, 46, 52, 64, 68, 70, 75) mit einer Kombination bestehend aus einem magnetischen Strahler (7; 20, 22; 39a - 39d, 40; 50, 51, 73) und wenigstens einem kapazitiven Strahler (1; 3a, 3b;17a, 17b; 41, 41b; 45a, 45b; 47a, 47b; 61a, 61b; 74a, 74b), wobei der magnetische Strahler einen einstellbaren Kondensator als separates Schaltungselement aufweist, jeder kapazitive Strahler (1; 3a, 3b; 17a, 17b; 41, 41b; 45a, 45b; 47a, 47b; 61a, 61b; 74a, 74b) zwei kapazitiv wirkende Strahlungsarme (1; 3a, 3b; 17a, 17b; 41, 41b; 45a, 45b; 47a, 47b; 61a, 61b; 74a, 74b) und zwei Abstandshalter (5a, 5b; 19a, 19b; 43a, 43b; 83a, 83b) hat, wobei jeweils ein Ende des einen Abstandshalters (5a, 5b; 19a; 19b; 43a, 43b; 83a, 83b) mit einem Ende eines der Strahlungsarme (1; 3a, 3b; 17a, 17b; 41, 41b; 45a, 45b; 47a, 47b; 61a, 61b; 74a, 74b) und das jeweils andere Ende dieses Abstandshalters (5a, 5b; 19a, 19b; 43a, 43b; 83a, 83b) mit der Peripherie des magnetischen Strahlers in unmittelbarer Nähe zum Anschlusspunkt des Kondensators (22, 26, 40, 55, 59, 67, 79) des magnetischen Strahlers verbunden ist, wobei unter unmittelbare Nähe ein Abstand von einer wirksamen Kapazität des Kondensators von höchstens λ/16 verstanden wird, und λ die Wellenlänge der abzustrahlenden Frequenz ist, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Strahler in einer ersten Ebene liegt, und die Strahlungsarme des kapazitiven Strahlers in wenigstens einer zweiten nicht mit der ersten zusammenfallenden Ebene liegen.
Antenne (15, 35, 44, 46, 52, 58, 62, 64, 68, 70, 75) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das eine Ende des Abstandshalters mit dem einen Ende des Strahlungsarms unter einem Winkel von 90° galvanisch verbunden ist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsarme des kapazitiven Strahlers in zueinander parallelen Ebenen liegen.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ebene senkrecht zur ersten Ebene liegt.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden kapazitiven Strahler in parallelen Ebenen zur Ebene des magnetischen Strahlers derart angeordnet sind, dass die Ebene des magnetischen Strahlers zwischen den beiden Ebenen der kapazitiven Strahler liegt.
Antenne mit einer Energieeinkopplung (13, 21) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen konstruktiven Aufbau mit einer Symmetrieebene betreffend dem wenigstens einen kapazitiven Strahler und dem magnetischen Strahler, wobei die Energieeinspeisung nicht die Symmetrieebene hat.
Antenne nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine abstimmbare Zusatzkapazität, wobei diese und deren Abstimmmittel nicht die Symmetrieebene haben.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Strahlungsarme (45a, 45b, 47a, 47b) des wenigstens einen kapazitiven Strahlers einen mit dem Abstandshalter verbundenen, stabförmigen Anfangsteil und einen Endteil hat, wobei die Aussenkontur (49a, 49b; 47a, 47b) des Endteils gegenüber der Aussenkontur des Anfangsteils vergrössert ist, um eine Längsausdehnung (1_a, 1_b) des kapazitiven Strahlungsarms zu reduzieren.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein kapazitiver Strahler mit wenigstens zwei Strahlungsarmen ausgebildet ist, wobei die Strählungsarme parallel zueinander liegend ausgebildet sind.