HU182376B - Ground-plane aerial - Google Patents

Description

A találmány tárgya ground-plane antenna, amelynek földelősíkból függőlegesen kiálló rezonáns negyedhullámú sugárzórúdja van, a földelösík valamint a sugárzórúd alsó vége között két betáplálási ponttal van ellátva, és a betáplálási pontok közé egyik végén rövidrezárt tápvonalszakasz kapcsolódik.

A ground-plane antennákat a vezetéknélküli hírközlés területén széleskörűen alkalmazzák, elsősorban a 20— 200 MHz közötti frekvenciatartományban. A ground-plane antennák függőleges negyedhullámú sugárzóból állnak és egy valós vagy virtuális földsík felett az egyik féltérbe sugároznak, nyereségük 0 dB. A sugárzórudat rendszerint az alsó végénél gerjesztik és koaxiális tápvonalhoz illesztik.

A klasszikus kivitelű ground-plane sugárzórúdja a földtől egyenáramúlag is elszigetelt. Ennél a kivitelnél a sugárzórúd hajlamos a statikus feltöltődésre, és az antennához csatlakoztatott készülék villámvédelme nem tökéletes. A sugárzórúd egyenáramú földelésére alkalmazzák a visszahajlított ground-plane antennát, nemzetközi néven „földed unipoF’-t, amely sugárzórúd földelésén kívül a talpponti impedanciát is megnöveli. Az ilyen antenna, bár a sugárzórúd egyenáramú földelését megoldja, nem nyújt biztos védelmet a villámcsapás ellen, mert az antennarúd hossza nagyobb a két r párhuzamos rúd közötti távolság tízszeresénél, így az antenna talppontjánál átívelés következhet be. A két párhuzamos rúdszakaszon folyó áram értéke villámcsapáskor olyan nagy ; lehet, hogy dinamikus hatása az antennát megrongálja.

* H. G. Brown javasolta először az antennarúd negyedhullámú rövidrezárt tápvonalcsonkon keresztül történő egyenáramú földelését. Ennél a megoldásnál a negyedhullámú rövidrezárt tápvonalszakasz függőleges tengelyű és a sugárzórúd alatt helyezkedik el. A tápvonalszakasz jelenléte az antenna bemeneti impedanciáját befolyásolja, de a sávszélességet csak jelentéktelenül növeli.

A ground-plane antennák sávszélessége a foldelősíkot megvalósító ellensúlyrudak kialakításától és a sugárzórúd karcsúságától függ. A sávszélesség növelhető a sugárzórúd átmérőjének növelésével, de a kapcsolat logaritmikus, és kisméretű sávszélesség növekedéséhez jelentős átmérőnövekedés tartozik. A gyakorlatban használt ground-plane antennák relatív sávszélessége 1—3% között van.

Szerkezeti kialakítás szempontjából fontos megemlíteni, ' hogy a sugárzórudat a befogási pontjánál általában szigetelő tartja. A lalpponti kapacitás csökkentése céljából általában l olyan szigetelőket használnak, amelyek hajlítónyomaték igénybevételnek vannak kitéve. A szigetelő anyagok hajlítónyomaték igénybevétel szempontjából nem elegendően szilárdak és merevek, ezért az antennák befogásának megoldása a konstrukció egyik kritikus problémáját képezi.

A vezetéknélküli összeköttetések sávszélességének növekedése szükségessé teszi 5—10% relatív sávszélességű antennák alkalmazását, és ilyen célra eddig minden előnyös tulajdonságuk ellenére a ground-plane antennákat nem lehetett használni.

A találmány feladata olyan tökéletesített ground-plane antenna létrehozása, amely lehetővé teszi a nagyobb sávszélességű működést és kiküszöböli az ismert antennatipusok fentiekben említett hátrányos tulajdonságait.

A találmány azon felismerésen alapul, hogy a sugárzórúd belsejében egy rövidrezárt tápvonalszakasz helyezhető el, amelynek folytatásába egy nyitott tápvonalcsonk kapcsolható. A két tápvonalszakasz együttesen egy olyan megcsapolásos tápvonalszakasznak tekinthető, amely egyik végén nyitott, másik végén rövidrezárt. Az antenna betáplálási pontjai párhuzamosan kapcsolódnak a tápvonal megcsapolásával.

A megcsapolást hely alkalmas megválasztásakor a tápvonalszakasz által képviselt szuszceptancia nagysága és frekvencia szerinti változása éppen kompenzálja az antenna talpponti szuszceptanciáját és annak változását, így nagyobb sávszéS lesség mellett jó állóhullámarányú betáplálásra nyílik lehetőség.

A találmánnyal tehát tökéletesített ground-plane antennát hoztunk létre, amelynek földelösíkból függőlegesen kiálló rezonáns negyedhullámú sugárzórúdja van, és a földelösík 10 valamint a sugárzórúd alsó vége között két betáplálási ponttal van ellátva, amelyek közé egyik végén rövidrezárt tápvonalszakasz kapcsolódik, és a találmány szerint az egyik végén rövidrezárt tápvonalszakaszt a sugárzórúd belsejében központosán húzódó földelőrúd és annak végéhez, valamint 15 a sugárzórúd belső falához kapcsolt rövidzár dugó képezi, és a betáplálási pontokhoz az említett tápvonalszakasz folytatásában még egy nyitott tápvonalcsonk is csatlakozik.

A találmány szerinti ground-plane antenna egy előnyös kiviteli alakjánál a sugárzórúd alsó végével a tápkábel belső 20 ere és a nyitott tápvonalcsonk belső ere van összekötve, és a tápkábel és a nyitott tápvonalcsonk külső ere a földelőrúd alsó végével és a földelősíkkal van összekötve.

A rövidrezárt tápvonalszakasz és a nyitott tápvonalcsonk együttes villamos hossza a negyedhullám hosszának ±25%· 25 os környezetén belül van. Előnyös, ha a nyitott tápvonalcsonkot koaxiális kábelszakasz képezi.

A találmány szerinti ground-plane antenna konstrukciója szempontjából előnyös, ha fémből készült antennafejjel van ellátva, amelynek vállal ellátott központos furata van, ebben 30 vállnak ütköztetett fémből készült szerelőtárcsa van, mely a tápkábel és a nyitott tápvonalcsonk külső árnyékolásához van kapcsolva, középen pedig a földelőrúd alsó végéhez .kapcsolódik, a szerelötárcsát a sugárzórúd alsó végébe helyezett szigetelőbetét választja el a 4 — sugárzórúdtól, mely 35 körül bilincs van elrendezve, és ez a tápkábel és a nyitott tápvonalcsonk belső erével kapcsolódik, továbbá az antennafej központos furatában a sugárzórudat megtámasztó persely helyezkedik el.

A villámvédelem szempontjából előnyös, ha a szigetelő 40 persely felső vége túlnyúlik az antennafej felső homlokfelületén és fölött a sugárzórúdra szikraközt képező körgyűrű van erősítve.

Az igy kialakított ground-plane antenna a szokásos típusokhoz képest mintegy ötszörös sávszélességgel, kedvező 45 sávonk ívüli viselkedéssel és tökéletes villámvédelemmel rendelkezik, szerkezeti kialakítása pedig egyszerű, megbízható és a nagy sávszélességhez viszonyítva szokatlanul karcsú.

A találmány szerinti ground-plane antennát a továbbiakban kiviteli példák kapcsán, a rajz alapján ismertetjük részle50 tesebben.

A rajzon az:

1. ábra a találmány szerinti ground-plane antenna egy kiviteli alakjának vázlata az érthetőség kedvéért a betáplálási síknál torzított hosszirányú léptékkel, a

2. ábra egy további kiviteli alak elölnézeti képe részben kitöréscs ábrázolásban, cs a

3. ábra a 2. ábrán vázolt kiviteli alakú ground-plane antenna állóhullámarány diagramja.

Az 1. ábrán vázolt ground-plane antennának függőleges 60 tengelyű, csőből kialakított 1 sugárzórúdja van, amely mintegy negyedhullám hosszúságú. Az 1 sugárzórúd virtuális (vagy valóságos) 2 földelösíkból áll ki. A példakénti esetben a 2 földelösíkot négy ferdén lefelé nyúló mintegy negyedhullám hosszúságú 3 ellensúlyrúd hatása hozza létre.

Az antennának 4 és 5 betáplálási pontja van, ezek közül

1823^6 a 4 betáplálás· pont az 1 sugárzórúd alsó (meleg) végével, 17 tápkábel középső erével és egy 16 nyitott tápvonalcsonk középső erével van összekötve. A másik 5 betáplálást pont a 2 földelösíkkal, a 17 tápkábel árnyékolásával, a 16 nyitott tápvonalcsonk felső végénél annak árnyékolásával és egy olyan 7 földelörúd alsó végével van összekötve, amely központosán az 1 sugárzórúd belsejében húzódik és felső vége 6 rövidzár dugó révén az 1 sugárzórúd belső falával kapcsolódik,

A 7 földelörúd a 6 rövidzár dugóval és az 1 sugárzórúd hengeres belső falával egy lefelé nyitott, negyedhullámnál rövidebb rövidrezárt tápvonalcsonkot alkot, és a 16 nyitott tápvonalcsonk ennek képzeletbeli meghosszabbításában helyezkedik el. A 16 nyitott tápvonalcsonk villamos hossza kisebb a negyedhullámhossznál és célszerűen koaxiális kábelszakaszból készíthető.

Az 1 sugárzórúd belsejében lévő felső végén rövidrezárt tápvonalcsonk és a hozzá csatlakozó alul szakadással lezárt 16 nyitott tápvonalcsonk egyetlen, felül rövidrezárt, alul nyitott tápvonal-szakasznak is tekinthető, amelynek a 2 földelősík magasságában megcsapolása van, és a megcsapolásnál a tápvonalszakasz párhuzamosan kapcsolódik az antenna 4 és 5 betáplálást pontjaival.

Ennek a megcsapolásos tápvonalszakasznak a jelenléte lényeges mértékben befolyásolja a ground-plane antenna tulajdonságait. A megcsapolást pontoknál a tápvonalcsonk gyakorlatilag tiszta szuszceptanciát képvisel, amely hozzáadódik az antenna talpponti admittanciájának képzetes részéhez. A bevitt szuszceptancia frekvencia szerinti változási sebessége a megcsapolás helyétől, nagysága pedig a tápvonalszakasz hosszától és a szerelésből adódó talpponti kapacitástól függ. A tápvonalszakasz együttes hossza a negyedhullám közelében van, a megcsapolás helye pedig a 6 rövidzár dugó helyzetének, illetve a 16 nyitott tápvonalcsonk hosszának együttes változtatásával állítható (az együttes hosszúság változatlanul hagyása mellett).

Azt tapasztaltuk, hogy megfelelő magasságban megválasztott megcsapolás mellett a bevitt szuszceptancia viszonylag széles frekvenciasávon belül képes kompenzálni a ground-plane antenna talpponti szuszceplanciájának változásait és ezzel az antenna állóhullámaránya széles sávon belül kedvező értékű lesz.

Az antenna sávszélessége az üzemi sávban megnövekszik, a párhuzamos távvonalszakasz azonban a sávon kívül olyan nagy szuszceptanciát visz be, amely az antennát a sávon kívül gyakorlatilag rövidrezárja. Ez a hatás nagyon kedvező, mert az antennához csatlakoztatott vevőkészülék bemenetét megvédi az esetleges nagyszintű sávonkívüli jelektől, illetve az antennát tápláló adó esetleges parazita jeleit nem engedi kisugározni.

A két részből álló tápvonalszakasz következtében az 1 sugárzórúd galvanikusan a földpotenciálra kerül, amely megakadályozza az antenna esetleges statikus feltőltődéséi. A 7 földelörúd a hajlított antennáktól eltérően azonban ámyékolun helyezkedik el az 1 sugárzórúd belsejében, és az esetleges villámcsapáskor kialakuló áram dinamikus hatása az antennaszerkezet felépítését nem károsíthatja.

A 3. ábrán egy 33—38 MHz között működő találmány szerinti antenna állóhullámarány diagramját láthatjuk, amelyből kitűnik, hogy az antenna állóhullámaránya mintegy 5 MHz-es sávon belül (14% relatív sávszélesség) 1,5-nél kisebb értékű. Ez a sávszélesség mintegy ötszörös a szokásos ground-plane antennákhoz viszonyítva.

A találmány szerinti ground-plane antenna a sávszélesség növekedésen, a földelt sugárzón és a kedvező sávonkívüli viselkedésen kívül több előnyös tulajdonsággal rendelkezik. Ezeket egy konkrét kiviteli példa kapcsán a 2. ábra alapján ismertetjük.

A 2. ábrán vázolt kiviteli alaknál a szerkezetet fémből készült 11 antennafej tartja, amelyben ferde tengelyű menetes furatok vannak a 3 ellensúlyrudak fogadására, és amely alulról nyitott, vállal ellátott központos furattal rendelkezik. A vállhoz van ütköztetve és csavarozva egy fémből készült 14 szerelőtárcsa, amely fémesen kapcsolódik a 7 földelörúd alsó végével. Az 1 sugárzórúd alsó végét vállal ellátott 13 szigetelő betét szigeteli el a 14 szerelőtárcsától.

A 11 antennafej központos furatának felső szakaszában 10 szigetelő persely helyezkedik el, amelynek felső vége mintegy 2 mm-rel túlnyúlik a 11 antennafej gyűrűalakú felső homlokfelületén. Az 1 sugárzórúd a 10 szigetelő persely belső furatán vezet keresztül és támasztását is a 10 szigetelő persely biztosítja. Láthatjuk, hogy a 10 szigetelő persely csak nyomásra van igénybevéve, ha az 1 sugárzórúdra a szétterhelésből adódóan hajlító nyomaték hat. Az ilyen terhelést a szigetelőanyagok könnyen felveszik. A nyomásra igénybevett szigetelő lényeges szerkezeti egyszerűsítést jelent a szokásosan használt hajlításra igénybevett szigetelőkhöz képest.

Bár a 2. ábrán vázolt kiviteli alaknál a 10 szigetelő persely nagyobb talpponti kapacitást visz be, mint egy hajlításra igénybevett szigetelő, a találmány szerinti kompenzáló szuszceptancia értékébe az a kapacitás betudható és jelenléte zavart nem okoz.

A 14 szerelőtárcsához csatlakozik a 16 nyitott tápvonalcsonk felső vége és a 17 tápkábel felső vége is. Ezen kábelek árnyékolása a 15/a és 15/b kábelszorítókon keresztül kapcsolódik a 14 szerelötárcsákkal, középső kivezetésük pedig egy 12 bilincshez csatlakozik, amely az 1 sugárzórúd alját veszi körül.

A 17 tápkábel alsó végére 18 koaxiális csatlakozó van szerelve, amelyhez a levezető kábel csatlakoztatható. A 16 nyitott tápvonalcsonk alsó végét gumiból készült 19 sapka zárja le és védi a külső behatásoktól.

Az 1 sugárzórúdra a 10 szigetelő persely felső végének támaszkodó 9 szikraköz körgyűrű van szerelve, amely a 11 antennafej felső gyűrűalakú felületével szemközti helyzetben van. A keletkező szikraköz gondoskodik villámcsapás esetén a villám levezetéséről. A választott konstrukció mellett villámcsapáskor a 17 kábel tökéletesen védett az esetleges káros hatásokkal szemben.

Az 1 sugárzórúd alját 8 vízzáró sapka veszi körül, amely nem engedi, hogy nedvesség hatoljon be a 14 szerelötárcsa felett kialakuló térbe. Ezt a teret egyébként célszerű műgyantával kiönteni. Az 1 sugárzórudat felül 21 sapka fedi.

Szerelés szempontjából a 2. ábrán vázolt konstrukció előnyös, mert a 14 szerelötárcsa a kábelekkel és az 1 sugárzórúddal előszerelvényként elkészíthető. A 11 antennafej az árbocrúd végére húzható, rögzítését kétoldalt egy-egy 20 csavar biztosítja. A tápkábel és a 16 nyitott tápvonalcsonk az árboccsö belsejébe nyúlhat.

A találmány szerinti ground-plane antenna a kedvező üzemi paramétereken kívül könnyen szerelhető, villámvédett, üzembiztos szerkezettel rendelkezik, amelynél a törés, sérülés vagy jegesedéi veszélye lényegesen kisebb a szokásos ground-plane antennákhoz viszonyítva.

Mivel a megnövelt sávszélességet a két részből álló párhuzamos tápvonalszakasz hatása eredményezi, a sávszélesség növelése céljából nincs szükség az 1 sugárzórúd átmérőjének megnövelésére, így a nagy sávszélességhez viszonyítva a szerkezet meglepően karcsú, és a karcsúságból adódik a kisebb szélterhelés és a kisebb mérvű jegesedés is.

Claims (8)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Ground-plane antenna, amelynek földelősikból függőlegesen kiálló rezonáns negyedhullátnú sugárzórúdja van, és a földelősík, valamint a sugárzórúd alsó vége között két betáplálás! ponttal van ellátva, és a betáplálás! pontok köze egyik végén rövidrezárt tápvonalszakasz kapcsolódik, azzal jellemezve, hogy az egyik végén rövidrezárt tápvonalszakaszt a sugárzórúd (1) belsejében központosán húzódó földelőrúd (7) és annak végéhez, valamint a sugárzórúd (1) belső falához kapcsolt rövidzár dugó (6) képezi, és a betáplálás! pontokhoz (4, 5) az említett tápvonalszakasz folytatásában egy nyitott tápvonalcsonk (16) csatlakozik.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti ground-plane antenna kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a sugárzórúd (1) alsó végével tápkábel (17) belső ere és a nyitott tápvonalcsonk (16) belső ere van összekötve, a tápkábel (17) és a nyitott tápvonalcsonk (16) külső ere a földelőrúd (7) alsó végével és a földelősíkkal (2) van összekötve.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti ground-plane kiviteli alakja, azzal Jellemezve, hogy a rövidrezárt tápvonalszakasz és a nyitott tápvonalcsonk (16) együttes villamos hossza a negyedhuilám hosszának ±25% környezetén belül van.
4. 4. Az 1—3. igénypontok bármelyike szerinti ground-plane antenna kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a nyitott tápvonalcsonkot (16) koaxiális kábelszakasz képezi.
5. 5. Az 1 —4. igénypontok bármelyike szerinti ground-plane antenna kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy fémből készült antennafejjel (11) van ellátva, amelynek vállal ellátott központos furata van, ebben a vállnak ütköztetett fémből készült szerelötárcsa (14) van, amely a tápkábel (17) és a nyitott tápvonalcsonk (16) külső árnyékolásához van kapcsolva, 5 középen pedig a földelőrúd (7) alsó végével kapcsolódik, a szerelötárcsát (14) a sugárzórúd (1) alsó végébe helyezett szigetelő betét (13) választja el a sugárzórúdtól (1), mely körül bilincs (12) van elrendezve, és a tápkábel (17) és a nyitott tápvonalcsonk (16) belső erével kapcsolódik, továb10 bá az antennafej (11) központos furatában a sugárzórudat (l) kívülről megtámasztó szigetelő persely (10) helyezkedik el.
6. 6. Az 5. igénypont szerinti ground-plane antenna kiviteli 15 alakja, azzal jellemezve, hogy a szigetelő persely (10) felső vége túlnyúlik az antennafej (II) felső homlokfelületén és 'olötte a sugárzórúdra (1) szikraköz körgyűrű (9) van erősítve.
7. 7. A 6. igénypont szerinti ground-plane antenna kiviteli 20 alakja, azzal jellemezve, hogy az antennafejen (11) felső részére egy a sugárzórudat (1) körülfogó vízzáró sapka (8) van erősítve.
8. 8. Az 5—7. igénypontok bármelyike szerinti ground-plane 25 antenna kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy az antennafejen (11) a földelösíkot (2) képező rezonáns negyedhullámú ellensúlyrudak (3) végének fogadására menetes furatok vannak kialakítva.

   2 rajz, 3 ábra

   Λ kiadásért felel a Közgazdasági és Jogi Könyvkiadó igazgatója

   85.5610.66-4 Alföldi Nyomda, Debrecen - Felelős vezető: Benkő István igazgató

   ---ή