NL8203528A - Dipool- en grondvlakantenne met verbeterde aansluiting voor coaxiale voedingslijnen. - Google Patents

Description

*» * N.O. 31.350 1

Dipool- en grondvlakantenne met verbeterde aansluiting voor coaxiale voedingslijnen.__

De uitvinding heeft betrekking op enkelvoudige-band en meervoudi-ge-band dipoolantennes en meervoudige-band grondvlakantennes met af-sluitingen die verliezen kleiner maken en/of bij aansluiting op een coaxiale voedingslijn een gebalanceerde dipool verschaffen.

5 Antennes die voor het grootste deel van het commercieel in beslag genomen radiospectrum gebruikt worden, zijn of halve-golf dipolen of verder ontwikkelde vormen van de halve-golf dipoolantenne. Deze antennes in de meeste van de eerder bekende systemen worden op een van twee manieren gevoed: er wordt of een gebalanceerde voedingslijn of een co-10 axiale voedingslijn gebruikt. Elk systeem heeft in de praktijk een ernstig daarbij behorend nadeel. Gebalanceerde voedingslijnen die ge-makkelijk te bewerken zijn, hebben in het algemeen een hoge impedantie en zijn daarom niet aangepast aan de impedantie van een middensnede in een halve-golf resonantie-antenne. Coaxiale voedingslijnen zijn beter 15 aangepast maar, daar zij ongebalanceerd zijn, verstoren zij de veldsym-metrie van gebalanceerde antennes, zoals de halve-golf dipolen, en ver-minderen daarom de door de coaxiale constructie verschafte bescherming tegen lokaal interfererende velden.

Een zendantenne kan beschouwd worden als een hoogfrequente ener-20 gie-omzetter, waarin de op de voedingslijn beschikbare energie in de ruimte wordt gekoppeld, waar de energie als een elektromagnetische golf straalt. Een ontvangantenne is precies het omgekeerde van bovengenoemde en identieke beschouwingen zijn van toepassing en behoeven geen afzon-derlijke analyse. Daar de voortplantingsgolfimpedantie in de ruimte 377 25 ohm bedraagt, eHi,daar de meeste praktische hoogfrequente voedingslijn-impedanties in hetf„geK.ed van 50 tot 150 ohm liggen, is de taak derhal-ve voor het ontwerpen van een antenne voor efficiente omzetting of transformatie er een met een aanzienlijke uitdaging.

Volgens een eerste aspekt van de uitvinding wordt een antenne ver-30 schaft die omvat ten minste twee lange geleiders, welke twee geleiders of twee van de geleiders of in tegengestelde richtingen of loodrecht op hetzelfde grondvlak gericht zijn, ten minste een condensator, en eerste en tweede aansluitpunten voor de aansluiting van de binnen- en buiten-geleiders respectievelijk van een coaxiale voedingslijn, waarbij het 35 eerste aansluitpunt verbonden is met €€n van de lange geleiders, waarbij de condensator of §§n van de condensatoren verbonden is tussen het tweede aansluitpunt en het ene uiteinde van de andere of €§n van de an- 8203528 i * 2 N.

dere geleiders, welke grenst aan het ene uiteinde van de ene geleider of aan het grondvlak, en waarbij de condensator of elke condensator een faseverschulving van verscheidene tientallen graden verschaft tussen spanning en stroom die aan de condensator worden toegevoerd met een 5 frequentie waarop de daarmee verbonden geleider een resonantielengte heeft.

In deze beschrijving wLl een resonantielengte op een frequentie zeggen elk willekeurig praktisch oneven geheel aantal kwart golflengten op die frequentie.

10 Bij een antenne volgens de uitvinding die een halve-golf dipool is en twee tegengesteld gerichte, lange geleiders bevat die elk een lengte van een kwart golflengte op de genoemde frequentie hebben, worden twee condensatoren gebruikt, waarbij §§n condensator zoals bovenbeschreven aangesloten is. Bij voorkeur bevat een halve-golf dipool volgens de 15 uitvinding eveneens een verdere geleider die geisoleerd is van, maar over in rezen zijn gehele lengte zich dicht bevindt bij , de genoemde ene lange geleider maar aanzienlijk korter is dan deze. De verdere lange geleider is verbonden met het eerste aansluitpunt door middel van de andere condensator en een verdere condensator kan tussen de ene lange 20 geleider en het tweede aansluitpunt opgenomen zijn.

Een belangrijk voordeel van het gebruiken van een over de eerste en tweede aansluitpunten verbonden condensator wordt nu met verwij zing naar een halve-golf dipool toegelicht.

Wanneer een halve-golflengtegeleider op de juiste hoge of radio-25 frequentie aangesloten wordt, gedraagt deze geleider zich alsof hij zelf staande golven van elektrische en magnetische velden voert veroor-zaakt door de opwekking van twee tegengesteld voortplantende golven op de geleider. Deze heeft daarom een elektrisch gedrag gelijk aan dat van een geconcentreerde-resonantie LC-schakeling, en kan als zodanig als 30 hoogfrequente omzetter gebruikt warden.

Teneinde doelmatig te zijn moet elke schakeling, die zich als omzetter of transformator gedraagt, kleine inwendige verliezen hebben.

Een geconcentreerde-LC schakeling in resonantie, die kleine verliezen en een beduidende reactantie heeft, heeft een grote Q-faktor. Op analo-35 ge wij ze moet een doelmatige hoogfrequente of radio-antenne in een toe-stand warden toegepast, waarin hij een hoge Q kan ontwikkelen, in welke toestand staande-golfverschijnselen toenemen in die mate waarin de daaruit komende straling het voornaamste energieverlies vormt. Een goed antenne en voedingsstelsel behoort het mogelijk te maken dat resonan-40 tiestromen en spanningen noch door dielektrische componenten noch door 8203528

* V

3 magnetische en resistieve componenten in de isolatoren en geleiders noch door de bronimpedantie op het voedingspunt beperkt worden.

Bij de meeste eerder beschreven antennevoedingslijnen is de voe-dingskabel rechtstreeks aangesloten binnen de halve-golf resonantiedi-5 pool op een snede in het midden. De tegenwoordig aanvaarde mathemati-sche analyse geeft aan dat de ingangsimpedantie op de genoemde snede in een in de vrije ruimte stralende dipool bij benadering 73 ohm bedraagt. Teneinde reflekties op de voedingslijn te verhinderen is het gebruike-lijk geweest om voor de voeding een yrijwel aangepaste voedingskabel 10 met een karakteristieke impedantie van 75 of 50 ohm toe te passen. Hoe prijzenswaardig dit ook was in termen van verhindering van voedings-lijnreflekties, heeft het een groot nadeel voor wat betreft de beper-king van de Q-faktor van de antenne.

; Een dergelijke antenne kan beschouwd worden een equivalente scha- 15 keling te hebben bestaande uit drie paralleltakken: de stralingsweer-stand, een zelfinduktie die de zelfinduktie van de resonantiegeleiders voorstelt, en een capaciteit die de capaciteit voorstelt van de resonantiegeleiders in serie met de karakteristieke weerstand van de coaxi-ale voedingslijn en een signaalbron. Bij resonantie wordt de grootte 20 van de stroom in deze schakeling beperkt door de karakteristieke impe-dantie. Door een extra condensator over de voedingslijn aan te sluiten wordt de equivalente schakeling gewijzigd en wordt de derde tak gelijk aan twee capaciteiten in serie over de zelfinduktie, waarbij signalen door de bron in serie met de karakteristieke veerstand van de voedings-25 lijn over de extra condensator worden toegevoerd. Bij resonantie nemen de in de paralleltakken circulerende stromen in grootte toe totdat het in de stralingsweerstand ingevoerde vermogen het voornaamste verlies in de schakeling wordt. De duale capacitieve reactantie verschaft de bij benadering juiste impedantie-omzetting tussen de stralingsweerstand en 30 de karakteristieke impedantie van de voedingslijn. In een antenne vol-gens de uitvinding verbetert een over de eerste en tweede aansluitpun-ten verbonden condensator derhalve de Q-faktor van de antenne. Een der-gelijke verbetering treedt eveneens op in de hieronder te beschrijven meervoudige-bandantennes.

35 Een verder belangrijk voordeel van de uitvinding zoals toegepast op enkelvoudige- en meervoudige-band dipoolantennes wordt nu toege-licht.

Daar er elektrisch gezien geen asymmetrie bestaat in de construc-tie van een gelsoleerde, in tweeen gedeelde geleider, die door een geo-40 metrisch loodrecht daarop gelegen voedingslijn gevoed wordt, moet dan 8203528 4 de impedantie van de middensnede een gebalanceerde Impedantie zijn. On-danks dit vanzelfsprekende feit zijn halve-golf dipoolantennes en daar-uit ontwikkelde Yagi-Uda groeperingen tot nu toe gewoonlijk door middel van een coaxiale voedingskabel gevoed die een niet-gebalanceerde voe-5 dingslijn is. Met geheel onverwacht wardt dan het verwachte voordeel van de coaxiale voedingslijn, dat wil zeggen een goede bescherming te-gen lokaal opgewekte interferentievelden, niet verkregen. Eveneens niet onverwacht zijn er vaak onverklaarbare staande golf problemen aanwezig . Bij UHF huistelevisiestelsels is het bijvoorbeeld normaal om te ontdek-10 ken dat van de drie omroepkanalen met gelijte vermogen in het Verenigd Koninkrijk, er Sen van de drie zwakker is dan de andere twee bij de coaxiale voedingslijnuitgang naar de ontvanger. Overeenkomstige resulta-ten doen zich voor bij de ontvangst van VHF FM omroepkanalen die geluid van hoge getrouwheid afgeven.

15 Door een klein aantal ontwerpingenieurs zijn voedingslijnen met gebalanceerde lage impedantie aanbevolen, maar zij zijn in de praktijk niet aangenomen daar deze voedingslijnen wanneer uitgevoerd voor dipool en Yagi-Uda groeperingsaanpasimpedanties qua dimensie moeilijk te ver-vangen en te installeren zijn. Daarenboven heeft het schakelingscon-20 structie-ontwerp van hoogfrequente apparatuur normaal een enkelvoudige uitgang, dat wil zeggen niet-gebalanceerd, en daarom hebben de meeste ontvangers en zenders coaxiale ingangs- en uitgangsconnectoren.

Zoals uit de verdere beschrijving blijkt, waarbij een antenne vol-gens de uitvinding SSn of meer paren van tegengesteld gerichte lange 25 geleiders heeft, kan een paar condensatoren in serie opgenomen zijn tussen elk paar geleiders en kan een gebalanceerde antenne- en coaxiale voedingslijnopstelling dan verkregen warden. Daar Sin van de condensa-. toren eveneens de Q van de antenne zoals boven toegelicht verbetert, wordt een sterk verbeterde antenne als resultaat verkregen.

30 Volgens een tweede aspekt van de uitvinding wordt een antenne ver- schaft omvattende ten minste een paar tegengesteld gerichte, lange geleiders van in wezen gelijke lengte, waarbij in elk paar een uiteinde van een geleider grenst aan een uiteinde van de andere geleider, een aantal paren condensatoren gelijk aan het aantal paren lange geleiders, 35 waarbij elk paar condensatoren behoort bij een bepaald paar geleiders, eerste en tweede aansluitpunten voor de aansluiting van de binnen en buitengeleiders van een coaxiale voedingslijn, waarbij de condensatoren van elk paar in serie tussen aangrenzende uiteinden van het bijbehoren-de paar geleiders aangesloten is, waarbij het eerste aansluitpunt ver-40 bonden is met het ene uiteinde van Sin van de geleiders van het paar 8203528 .5 geleiders of δέη van de paren· geleiders, en waarbij het tweede aan-sluitpunt door mlddel van een condensator van elk paar verbonden is met het aangrenzende uiteinde van de andere geleider van het paar en de overeenkomende uiteinden van de overeenkomende geleiders van willekeu-5 rige andere paren geleiders, waarbij elke condensator van elk paar een faseverschuiving van verscheidene tientallen graden verschaft tussen daaraan toegevoerde spanning en stroom op een frequentie waarop het bijbehorende paar geleiders een resonantielengte heeft, en in het geval er meer dan het ene genoemde paar geleiders aanwezig is, de geleiders 10 van elk paar zich in dichte nabijheid bevinden van maar gelsoleerd zijn van elke op gelij ke wijze gerichte geleider van de of elk ander paar.·

Bij voorkeur heeft of hebben bij een meervoudige-bandantenne, wan-neer het langste paar geleiders een lengte van een halve golflengte op een frequentie heeft, dan het andere paar of paren geleiders bij bena-,;/l 1.5 dering een lengte van een halve golflengte op frequenties, die door een frequentie-interval van ten minste 10% van de genoemde ene frequentie gescheiden zijn.

Een dergelijke uitvoering verschaft een gebalanceerde meervoudige-band dipoolantenne met een hoge Q zelfs wanneer vanuit een enkelvoudige 20 coaxiale voedingslijn wordt gevoed.

Volgens een derde aspekt van de uitvinding wordt een meervoudige-band grondvlakantenne verschaft omvattende een grondvlakgeleider, ten minste twee lange geleiders van verschillende lengte loodrecht op de grondvlakgeleider in dichte nabijheid van elkaar maar geisoleerd van 25 elkaar, waarbij een uiteinde van elke geleider grenst aan de grondvlakgeleider en daarmede door middel van een respectievelijke condensator verbonden is, en eerste en tweede aansluitpunten voor de aansluiting van de binnen- en buitengeleiders van een coaxiale voedingslijn, die met een uiteinde van de langste geleider en de grondvlakgeleider res-30 pectievelijk verbonden is, waarbij de of elke condensator een faseverschuiving van verscheidene tientallen graden verschaft tussen spanning en stroom die daaraan worden toegevoerd met een frequentie waarop de met die condensator verbonden geleider een resonantielengte heeft.

Bij voorkeur is een extra condensator aangesloten tussen dat uit-35 einde van de aan de grondvlakgeleider grenzende, langste geleider en de grondvlakgeleider, waarbij de extra condensator een faseverschuiving van verscheidene tientallen graden verschaft tussen spanning en stroom die daaraan toegevoerd worden met een frequentie waarop de langste geleider een resonantielengte heeft.

40 Wanneer de extra condensator niet gebruikt wordt, wordt de genoem- 8203528 6 de faseverschulving verkregen door een verkleining van een klein percentage in de lengte van de geleider aan te brengen.

Bij alle drie aspekten van de uitvinding bedraagt de faseverschui-ving van verscheidene tientallen graden bij voorkeur 45° of meer.

5 De uitvinding zal nu nader vrorden toegelicht aan de hand van enige uitvoeringsvormen van de uitvinding met verwijzing naar de bijbehorende tekeningen, waarin: fig. 1 een drie-band halve-golf dipoolantenne volgens de uitvinding toont; 10 fig. 2 een equivalente antenne toont voor een wLllekeurige van de frequentiebanden van de in fig. 1 aangegeven antenne; fig. 3 een enkelvoudige-band halve-golf dipoolantenne volgens de uitvinding toont; fig. 4 een andere drie-band halve-golf dipoolantenne volgens de 15 uitvinding toont; fig. 5 een drie-band grondvlakantenne volgens de uitvinding toont; de fig. 6, 7 en 8 Yagi-antennes met meervoudige elementen volgens de uitvinding tonen; en 20 fig. 9 een meervoudige-band Yagi-antenne volgens de uitvinding toont ten gebruike als de voedingsstraler van een parabolische reflek-torantenne.

In fig. 1 hebben de lange geleiderdraden W1 en W2 elk precies de lengte van een kwart van de vrije-ruimtegolflengte voor de laagste fre-25 quentieband van de drie-band antenne. De draad W1 bevindt zich dichtbij maar is gelsoleerd van de andere geleiderdraden W3 en W5, en de draad W2 bevindt zich dichtbij maar is gelsoleerd van de draden W4 en W6. De draden W3. rat W4 hebben bij benadering een lengte van een kwart vrij e-ruimtegοΓί 1 engte-“in de middenfrequentieband en de draden W5 en W6 heb-30 ben bij benadering een lengte van een kwart vrije-ruimtegolflengte in de hoogste frequentieband.

Een paar condensatoren Cl en C2 zijn in serie aangesloten tussen aangrenzende uiteinden van de draden W1 en W2, en paren condensatoren C3 en C4, en C5 en C6 zijn op gelijke wijze respectievelijk aangesloten 35 tussen de draden W3 en W4, en W5 en W6. De zes condensatoren Cl tot C6 hebben onderling zodanige afmetingen dat elk resonantiepaar draden en bijbehorende condensatoren dezelfde grootte van capacitieve reactantie op het elektrische midden van de antenne presenteren.

Een coaxiale voedingslijn F is zodanig aangesloten dat zijn af-40 scheming en een plaat van elke condensator van de zes condensatoren 8203528 7 een gemeenschappelijke middenaansluiting vormen veaarom de gehele antenne elektrisch gebalanceerd is. De binnengeleider van de coaxiale voedingslijn is verbonden met de j unktie tussen de draad W1 en de linker-plaat van de condensator Cl waardoor het voordeel van de boven toege-5 lichte vergrote antenne Q wordt verkregen.

Wanneer de antenne van fig. 1 bijvoorbeeld op frequentie van f en l,5f en 2f meet werken, wordt de waarde van de condensatoren C5 en C6 berekend uit de reactantie in de hoogste uit te stralen frequentieband zodat de genoemde reactantie gelijk is aan de grootte van de karakte-10 ristieke impedantie Eq van de gebruikte coaxiale voedingslijn. De reactantie van de condensator C5 is bij 2f MHz derhalve gelijk aan -jRoOhm en is gelijk aan die van de condensator C6.

Derhalve is C6 = C5 “ „ Farad

Or it

In de middenfrequentieband zijn de voortplantende golven op de 15 draden W3 en W4 in staat om de condensatoren C5 en C6 te gaan gebrtiiken als gevolg van het hieronder toegelichte, stroom-samendelende ver-schijnsel. Dientengevolge worden de waarden van de condensatoren C3 en C4 zodanig berekend dat de totale susceptanties van C3 opgeteld bij C5, en van C4 opgeteld bij C6, reactanties verschaffen in de middenfrequen-20 tieband van l,5f MHz gelijk aan -jSQohm.

Derhalve is C4 + C6 = C3 + C5 = oVLTi " Farad Δ ff L 9 Kq

In de laagste frequentieband zijn de voortplantende golven op de draden W.l en W2 op gelijke wij ze in staat respectievelijk de drie condensatoren Cl, C3 en C5 en de condensatoren C2, C4 en C6 te gebruiken.

25 Dientengevolge wordt de waarde van de condensatoren Cl en C2 zodanig berekend dat de totale susceptanties van Cl opgeteld bij C3 en C5, en van C2 opgeteld bij C4 en C6, reactanties verschaffen in de laagste frequentieband van f MHz gelijk aan -jl^ohm.

Zo is C2 + C4 + C6 = Cl + C3 + C5 = Farad Z (T 1 Kq 30 Teneinde de elektrische balancering van de meervoudige-band di pool te behouden moet de voedingslijn bij voorkeur uit de dipool weglo-pen onder rechte hoeken tot de richting van de draden Wl tot W6 voor de maximaal geschikte afstand, bij voorkeur ten minste een kwart golf van de laagste frequentie van f MHz. Van de in fig. 1 aangegeven uitvoering 35 is kenmerkend gebleken dat deze aan de coaxiale voedingslijn een ingang slmpedantie presenteert welke dichtbij de karakteristieke weerstand Ro ligt en die in wezen over ongeveer + 3% aan elke kant van de mid- 8203528 * - 8 denfrequentie van elke van de drie banden resistief is. Bij een meting van de staande golf spanningsverhouding is gebleken dat deze over deze frequentiegebieden kenmerkend 1,3 of minder bedraagt.

Er is een aanzienlijke koppeling tussen de gelsoleerde draden Wl, 5 W3 en W5 zodat energie kan overgaan tussen de gevoede draad Wl en de afzonderlijke resonantie halve-golf dipolen die gevormd worden door de draden W3 en W4 en hun respectievelij ke condensatoren G3 en C4, en door de draden W5 en W6 en hun respectievelijke condensatoren C5 en C6. De gehele groep van drie draden aan elke kant kan gevouwen of getwist of 10 recht verlopen overeenkomstig de beste door de antennefabrikant ontwor-pen vorm. De totale groep van draden en condensatoren moet echter tegen indringing van regenwater beschermd worden daar anders de karakteris-tieke impedantie van de groep bij nat worden zal veranderen en buiten-sporige verliezen en een slecht staande-spanningsgolfgedrag zullen op-15 treden. De nauwkeurige lengte van het medium en van de hoge-frequentie-band kwart golflengtedraden zal afhangen van de feitelijke vorm van de groep draden.

De condensatoren kunnen deel uitmaken van een bij het midden van de dipolen geplaatst, enkel samenstel. De condensatoren kunnen dan ge-20 vormd warden door een enkelvoudige met de afscherming van de voedings-lijn verbonden, gemeenschappelijke elektrode en zes kleine elektroden, die elk tegenover een verschillend deel van de gemeenschappelijke elektrode zijn geplaatst en daarvan door een di'elektrische laag gescheiden zijn.

25 De werking van de coaxiaal gevoede, drie-band gebalanceerde di- poolantenne van fig. 1 kan als volgt toegelicht worden. Elke band is voorzien van een afzonderlijke resonantieschakeling die de twee gelei-derdraden, waarvan de totale lengte vrijwel geheel overeenkomt met de halve golflengte op die frequentie en een respectievelijk paar serie-30 condensatoren omvat. Daar de draden een dichte elektromagnetische koppeling zoals hieronder toegelicht hebben, heeft de staande golf van de stroom in de onderste frequentieband van f MHz drie condensatoren aan elke kant gemeen die ontworpen zijn met zodanige grootte dat er een ca-pacitieve reactantie met de middenafschermingsverbinding van de voe-35 dingslijn naar de dipool van -jRo ohm bestaat. Op gelijke wij ze heeft de staande golf in de middenfrequentieband van l,5f MHz twee van de middencondensatoren aan elke kant gemeen en zal eveneens een reactie van -jSo ohm omvatten. In de hoogste frequentieband van 2f MHz bestaat er alleen een staande golf op de draden W5 en W6 en vloeit deze 40 alleen door een paar condensatoren, namelijk C5 en C6. De keuze van de 8203528 " * 9 waarden op deze frequentie waarborgt dat deze condensatoren eveneens reactantiewaarden van -jKo ohm hebben. Op deze wLjze kunnen drie af-zonderlijke staande golven afzonderlijk gelijke schakelingsreactanties ondervinden en gelijke equivalente schakelingen hebben, 5 Fig, 2 toont de equivalente gebalanceerde halve-golf dipool, waar- mee elk resonantiedraadpaar overeenkomt, waarbij de afscheming S van de coaxiale voedingslijn de spanningsnul of aardpunt van het gebalanceerde ste'lsel vornt, en waarbij de twee equivalente in fig, 2 aangege-ven condensatoren Cg bij elke band een gelijke reactantiegrootte van 10 -jRo ohm hebben. De energie-overdracht vanuit de binnenvoedingsgelei-der P gebeurt via de direkte verbinding met de linker kwartgolfdraad, maar als gevolg van de door de condensator Cg teweeg gebrachte fase-verschuiving tot 90° voorijling, worden de voortplantende golven van de Stroom op de resonator niet beheerst door de karakteristieke weerstand 15 van de voedingslijn en kunnen daarom toenemen tot grotere waarde dan bij eerder bekende eoaxiaal gevoede halve-golf dipolen mogelijk was. De voortplantende golven nemen toe totdat de staande golven die zij vormen een stralingsverlies ontwikkelen dat het hoofdverlies van de gehele an-tenne vomt, De doelmatigheid van straling wordt daarom automatisch tot 20 een maximum opgevoerd.

De in serie met de kwart-golfdraden opgenomen condensatoren waar-borgen in alle banden niet alleen een elektrische balancering en hoge doelmatigheid, maar vervullen eveneens een vitale rol bij de overdracht van energie van draad tot draad. In de ondqrste frequentieband van f 25 MHz vloeit enig deel van de stroom, die de binnengeleider van de voedingslijn verlaat, op de geleider W1 waardoor een magnetische flux rond deze geleider en de aangrenzende geleiders W3 en W5 opgewekt wordt, en waardoor een elektromotorische kracht in deze draden gelndu-ceerd wordt die 90° in fase voorijlt op de magnetische flux. Als gevolg 30 van de aanwezigheid van de condensatoren C3 en C5 ijlt de stroom, die daar loopt, bij benadering 90° in fase voor op de elektromotorische kracht. De stromen op de draden W3 en W5 ijlen daarom bijna 180° in fase voor op de antifase relatie die volgens de wet van Lenz verwacht wordt tussen de primaire en secundaire stromen van een magnetisch ge-35 koppelde inrichting. Verder bestaat er een elektrische koppeling tussen de geleiders veroorzaakt door hun onderlinge dichte nabijheid als gevolg van het elektrische veld over de isolatie van de draden. De sprei-ding van de induktievelden van magnetische flux en elektrische ver-plaatsing waarborgt dat wat er ook gebeurt op de linkerhelft van de 40 meervoudige-band dipool dit zich verspreidt over de rechterhelft, waar 8203528 10 een gelijk gedrag optreedt en voortplantende golfverschijnselen van grote amplitude op de juiste geleiders tot stand worden gebracht. Op alle af zonderlijke frequenties, waarop geleiders of een half-golf reso-nantiegedrag of een capacitief reactantiegedrag (krachtens het feit dat 5 zij zich op de genoemde frequentie minder dan een kwart van een vrije-ruimtegolflengte bevinden) vertonen, zijn derhalve alle stromen en spanningen in fase. Op de frequentie van f MHz zullen alle drie capaci-tieve reactanties aan elke kant samen gedeeld worden. Op hogere frequenties zijn de looptijden van de golven op de draden W1 en W2 zo veel 10 groter dan die van de voortplantende golven op hun kortere metgezellen dat de condensatoren Cl en C2 niet in staat zijn om beduidend bij te dragen aan de staande-golfverschijnselen die behoren bij de draden W3 en W4 op de frequentie van l,5f MHz of bij de draden W5 en W6 op de frequentie van 2f MHz.

15 Meervoudige-bandantennes die op andere aantallen banden, zoals vijf of meer, zullen werken, kunnen volgens de uitvinding gebouwd warden onder toepassing van de bovenbeschreven procedure. Dat wLl zeggen dat alle condensatoren onderling zodanige afmetingen krijgen dat wan-neer zij op geschikte wijze uitgevoerd zijn, zij aan elke kant van het 20 middenpunt van de reactantie een reactantie van -jEo ohm verschaffen.

De kortere draden worden afgesneden tot binnen plus 15% van de vrije-ruimte kwartgolflengte in elke uit te stralen frequentieband in afhan-kelijkheid van draaddiameter, isolatiedikte, onderlinge afstand en plaatsing. De langste draden hebben een lengte van exakt een kwart 25 golflengte bij de laagste werkfrequentie. Het stroom-samendelende en balanceerverschijnsel bij de middencondensatoren wordt in alle gevallen op gunstige wi jze tot de gewenste toestand benaderd.

De frequentiebanden kunnen in een willekeurig interval groter dan een 10% frequentietoename over een tienvoudige band van frequenties 30 uitgespreid worden. Wanneer de lagere frequentie gelijk is aan f MHz, kunnen bijvoorbeeld de andere frequenties liggen op l,lf, l,2f, 4,5f, 6,3f, enz. tot aan lOf MHz. Vele verbindingsdiensten hebben over derge-lijke intervallen toewijzingen teneinde een voortdurend contact moge-lijk te maken wanneer ionosferische omstandigheden overdag veranderen. 35 Na deze beschrijving is het nu mogelijk om de werking van de en- kelvoudige-bandvom van de boven aangeduide antenne toe te lichten.

In fig. 3 is een coaxiaal gevoede, gebalanceerde monobanddipool aangegeven. De draden W7 en W8 hebben precies een lengte van een vrije-ruimte kwartgolflengte, en een derde draad W9 in dichte nabijheid van 40 maar geisoleerd van de draad W7, heeft bij benadering een lengte van » 8203528 «· * 11 1/yT maal de vrij e-ruimte kwartgolflengte. De draad W9 kan echter elke lengte hebben kleiner dan die van de draad W7 hetgeen tot gevolg heeft dat de tussen deze twee geleiders aangebrachte transmissielijn een in-gangsimpedantie moet hebben die op de resonantiefrequentie van de di-5 pool capacitief is. Het doel van de draad W9 is om energie-overdracht vanaf de draad W7 naar de draad W8 mogelijk te maken op dezelfde manier als beschreven in samenhang met fig. 1 maar waarbij de draad W9 in plaats van de draad W3 werkt. De overstraling (spill-over) van de in-duktievelden waarborgt dat de monobandantenne het gewenste halve-golf 10 resonantiegedrag en elektrische balancering ontwikkelt. De condensato-ren C7, C8 en C9 vormen de elektrische balans- en faseverschuivingscon-densatoren gelijk aan die van de eerder beschreven multibandantennes.

De condensator C7 kan wel of niet aanwezig zijn daar het transmissie-lijneffekt van de draden W7 en W8 tezamen voor 0,707 van een kwart 15 golflengte een grote capacitieve susceptantie over de voedingslijn pre-senteren onafhankelijk van het feit of de condensator G7 er is of niet.

De condensatoren C8 en C9, en C7 wanneer gebruikt, zij n identiek aan elkaar en hebben elk op de werkfrequentie een reactantie van -jEo ohm.

20 Een meer gecompliceerde antenne, zoals een multibandvorm van de eerder genoemde monobandantenne, kan om redenen van zuinigheid in mate-riaal en reduktie in gewicht bijvoorbeeld, geconstrueerd warden op de in fig. 4 aangegeven manier. De geleiderdraden Wll, W13 en W15 vormen de kwart golflengte resonantiesecties en de enkele tegenbalansdraad W12 25 voert de tegenwichtstromen op elke van de resonantiefrequenties.

De condensatoren Cll, C13 en C15 worden gekozen met een procedure gelijk aan die voor de beschreven multibandantenne. De condensator C12 wordt gelijk gemaakt aan de totale bij elkaar gevoegde capaciteit van Cll, Cl3 en C15.

30 Een uitbreiding van het in fig. 4 aangegeven concept leidt tot een coaxiaal gevoede multiband-grondvlakantenne die bij wijze van voorbeeld in een drie-bandversie in fig. 5 is aangegeven. De afscheming van de voedingslijn F is verbonden met het midden van een breed geleidend blad G of een effektief metaal geleidend blad bestaande uit een maas van me-35 taal of een groepering van radiaal geplaatste geleiders met een minimale afmeting in het grondvlak van ten minste de helft van een vrije-ruimtegolflengte op de laagste werkfrequentie. De binnengeleider van de coaxiale voedingslijn is verbonden met een geleider W16 loodrecht op het blad G. De geleider W16 is de grootste van drie geleiders en heeft 40 de lengte van bij benadering een vrij-ruimte kwartgolflengte in de 8203528 * · 12 laagste werkf requentieband. De twee geleiders W17 en W18 die resonato-ren op de andere twee werkfrequentiebanden van dit voorbeeld vormen, zijn in dichte nabijheid van elkaar opgesteld maar gelsoleerd van de geleider W16 en zijn door respectievelijke faseverschuivingscondensato-5 ren C17 en C18 afzonderlijk aangesloten. Van een condensator C16 is aangegeven dat deze aangesloten is op het onderuiteinde van de geleider W16, maar deze condensator kan weggelaten warden ofschoon de resulte-rende antenne een marginaal slechter gedrag heeft. De condensatoren C16, C17, C18 hebben zodanige afmetingen dat elke geleider bij zijn 10 eigen resonantiefrequentie een reactantie van -jEo ohm ondergaat. Een procedure gelijk aan die welke gegeven is voor de multiband dipoolan-tenne wordt gebruikt cm warden voor deze condensatoren te kiezen.

De lengten van de middelste en hoogste frequentiegeleiderresonato-ren kunnen enkele percenten groter zijn dan de vrije-ruimte kwartgolf-15 lengte voor de uit te stralen band afhankelijk van de onderlinge af-stand en het isolatiemateriaal. Door een geschikte onderlinge afstand en elektrische koppeling toe te passen kunnen werkfrequentiebanden die door frequentie-intervallen zo klein als tien percent van de frequentie van de laagste band, verkregen worden.

20 In alle beschreven antennevormen moet de keuze van condensatortype en geleiderdraadisolatie beslist worden met medebeschouwing van de ver-wachte dielektrische verliesgraad.

De uitvinding kan in een Yagi-groepering toegepast warden zoals aangegeven in fig. 6, waar de voeding gelijk is aan die van fig. 3. De 25 condensatoren C23 en C24 zijn tussen de buitengeleider van een coaxiale voedingslijn F en de geleiders W23 en W24 opgenomen om een gebalanceer-de dipool te vormen. Een verdere draad W25 verloopt dicht nabij de geleider 23 maar heeft een lengte die l/V? maal zo groot is als die van de draad W23 en is via de condensator C25 verbonden met de buitengelei-30 der van de voedingslijn. De richtelementen D en het reflektie-element R hebben een lengte en zijn geplaatst zoals voor een dergelijke groepe-ring gebruikelijk is. Bij een toelaatbare variant wordt C23 weggela-ten.

De multibandvormen van de bovenbeschreven groepering kunnen even-35 eens geconstrueerd zijn onder toepassing van een aangedreven element van bijvoorbeeld de in fig. 1 aangegeven vorm en richt- en reflektie-elementen van gegradeerde lengten.

Daar multiband Yagi-antennegroeperingen bekend zijn, warden de lengten en onderlinge afstanden van deze elementen hier niet gegeven; 40 zie bijvoorbeeld "The Services Text Book of Radio", volume 5, "Trans- 3203528 13 mission and Propagation”, E. Glazier en H. Lamont, Her Ifejesty's Stationery Office, 1958, bladzijde 376.

In groeperingen van bovengenoemde types treedt een aanzienlij ke reduktie in de bij het voedingspunt gepresenteerde impedantie op maar 5 er zijn vele bekende technieken om dit probleem te overwinnen. Voor een monobandantenne kan een halve-golflengte-element met nauwe afstand in dichte nabijheid aangebracht zijn of over de uiteinden van de antenne op de wijze van een gevouwen dipool FD, zoals in fig. 7 aangegeven, verbonden zijn. Op andere wij ze kan een kort stuk L van coaxiale voe-10 dingslijn met lage impedantie (zie fig. 8) tussen het*midden van de antenne en de coaxiale hoofdvoedingslijn F gevoegd zijn. Het stuk L is op een lengte afgesneden geschikt om de impedantie tot aan de voedings-lij nimpedantie te transformeren. Voor een multibandantenne is een om-zetter met ferrietkera nodig.

15 Als voedingsradiator van een parabolische reflektorantenne of van andere typen reflektorantennes kan een antenne volgens de uitvinding, bijvoorbeeld een multiband Yagi-antenne toegepast warden. Fig. 9 toont een twee-band dipool-Yagi in het brandpunt van een parabolische reflek-tor gebruikt om een smalle bundel van hoogfrequente energie op te wak-20 ken.

Van een coaxiale voedingslijn F die met zijn uiteinde is aangegeven, is de middengeleider verbonden met een draad W30 die een lengte heeft van een kwart golflengte op de middenfrequentie van de ene band, en is de buitengeleider door middel van een condensator C31 verbonden 25 met een draad W31 van gelijke lengte. Een condensator C30 is tussen de draad W30 en de buitengeleider van de voedingslijn F aangesloten. Een andere dipool met kwart-golfelementen gevormd door de draden W32 en W33 resoneert op de middenfrequentie van een andere band, waarbij de draden W32 en W33 door middel van de condensatoren C32 en C33 respectievelijk 30 met de buitengeleider van de voedingslijn zijn verbonden. De reflektie-elementen R1 en R2 hebben een lengte en onderlinge afstand respectieve-lijk voor de eerste en twaede banden evenals de richtelementen D1 en D2. Het middenpunt van de antennegroepering, dat wil zeggen het uiteinde van de voedingslijn F zoals aangegeven, bevindt zich in het brand-35 punt van een parabolische reflektor P.

8203528

Claims (22)

1. Antenne voorzien van ten minste twae lange geleiders, welke twee geleiders of twee van de geleiders of in tegengestelde richtingen of loodrecht op hetzelfde grondvlak gericht zijn, ten minste een con- 5 densator, en eerste en tweede aansluitpunten voor de aansluiting res-pectievelijk van de binnen- en buitengeleiders van een coaxiale voe-dingslijn, waarbij het eerste aansluitpunt verbonden is met €§n van de lange geleiders, met het kenmerk, dat de condensator of β§η van de con-densatoren verbonden is tussen het tweede aansluitpunt en een uiteinde 10 van de andere geleider of een uiteinde van een van de andere geleiders, welke grenst aan een uiteinde van de ene geleider of aan het grondvlak, en dat de condensator of elke condensator een faseverschuiving van ver-scheidene tientallen graden verschaft tussen spanning en stroom die aan de condensator worden toegevoerd op een frequentie waarop de daarmede 15 verbonden geleider een resonantielengte heeft.

2. Antenne voorzien van ten minste een paar tegengesteld gerichte, lange geleiders van in wezen gelijke lengte, waarbij in elk paar een uiteinde van een geleider grenst aan een uiteinde van de andere geleider, en eerste en tweede aansluitpunten voor de aansluiting van de bin- 20 nen- en buitengeleiders van een coaxiale voedingslijn, met het kenmerk, dat de antenne bevat een aantal paren condensatoren gelijk aan het aan-tal paren lange geleiders, waarbij elk paar condensatoren behoort bij een bepaald paar geleiders, waarbij de condensatoren van elk paar in serie opgenomen zijn tussen aangrenzende uiteinden van het bijbehorende 25 paar geleiders, waarbij het eerste aansluitpunt verbonden is met een . uiteinde van §§n van de geleiders van het paar geleiders of §§n van de paren geleiders, en waarbij het tweede aansluitpunt door middel van een condensator van elk paar verbonden is met het aangrenzende uiteinde van de andere geleider van het genoemde paar en de overeenkomende uiteinden 30 van de overeenkomende geleiders van elk ander paar geleiders, dat elke condensator van elk paar een faseverschuiving van verscheldene tientallen graden verschaft tussen spanning en stroom die daaraan worden toegevoerd op een frequentie waarop het bijbehorende paar geleiders resonantielengte heeft, en dat bij aanwezigheid van meer dan een genoemd 35 paar geleiders, de geleiders van elk paar zich in dichte nabijheid be-vinden van maar gexsoleerd zijn van elke op gelij ke wij ze gerichte geleider van de of elk ander paar.

3. Antenne volgens conclusie 2 voorzien van twee lange geleiders van in wezen gelijke lengte, waarbij een uiteinde van een geleider 40 grenst aan een uiteinde van de andere geleider, gekenmerkt door een ex- 8203528 tra lange geleider In dichte nabijheid bij de genoemde ene geleider waarbij de extra geleider beduidend fcorter is dan de genoemde ene geleider, en een verdere condensator in serie opgenomen met de genoemde ene condensator tussen het genoemde aansluitpunt en een uiteinde van de 5 extra geleider die grenst aan de aangrenzende uiteinden van de andere geleiders.

4. Antenne volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de extra geleider een lengte heeft van bij benadering 1/V?' maal de lengte van de genoemde ene geleider.

5. Antenne volgens conclusie 3 of 4 bestemd voor aansluiting op een coaxiale voedingslijn met een karakteristieke weerstand van Rq ohm, met het kenmerk, dat elke condensator een capaciteit van 1/2ΤΓf Bo Farad heeft, waarbij f een frequentie is waarop elke geleider resoneert.

6. Antenne volgens §§n der conclusies 3 tot 5 bestemd voor een vooraf bepaalde frequentie, met het kenmerk, dat elke geleider, behalve de genoemde extra geleider wanneer aanwezig, een lengte heeft in wezen gelijk aan een kwart vrije-ruimtegolflengte op de vooraf bepaalde frequentie.

7. Multiband-antenne volgens conclusie 2, gekenmerkt door ten min- ste twee paren lange geleiders, waarbij elk paar in wezen verschillend gecombineerde lengten ten opzichte van het andere paar of paren heeft, en dat de genoemde elektrische koppeling verkregen wordt door het eers-te aansluitpunt te verbinden met het genoemde ene aangrenzende uiteinde 25 van den van de geleiders van het paar met de grootste gecombineerde lengte.

. 8. Antenne volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de geleiders van het . paar met de grootste gecombineerde lengte elk gelijk zijn in lengte aan een kwart'van c£e vrij e-ruimtegolflengte op de frequentie f, 30 en dat elke geleider van elk ander paar een lengte heeft bij benadering gelij k aan een kwart van de vrij e-golflengte op frequenties die van el-kaar gescheiden zijn door een frequentie-interval van ten minste een tiende van f, waarbij de maximale frequentie tot aan tien maal f gaat.

9. Antenne volgens conclusie 8, bestemd voor aansluiting op een 35 coaxiale voedingslijn met karakteristieke weerstand van Eq ohm, met het kenmerk, dat de som van de capaciteiten van een condensator van het tussen de geleiders van elk bepaald paar opgenomen paar en de capaciteiten van een condensator uit elk paar condensatoren verbonden tussen geleiders van kleinere gecombineerde lengte dan het bepaalde 40 paar geleiders gelijk is aan l/2?Tyf Eq Farad, waarbij de geleiders 8203528 V » van het bepaalde paar elk bij benadering een lengte hebben gelijk aan een vrije-ruimte kwartgolflengte op de frequentie yf.

10. Antenne volgens conclusie 8 of 9, waarbij elk paar geleiders behoort bij een respectievelijk band van frequenties, met het kenmerk, 5 dat elke geleider van het paar met de grootste gecombineerde lengte een lengte heeft in wezen gelijk aan de kwartvrije-ruimtegolflengte op de middenfrequentie van de bij dat paar geleiders behorende band, en dat elke geleider van elk ander paar een lengte heeft in wezen gelegen tus-sen 1,05 en 1,15 maal een kwart van de vrije-ruimtegolflengte op de 10 middenfrequentie van de bij dat paar geleiders behorende band.

11. Multiband-antenne volgens conclusie 2, voorzien van een enkel genoemd paar van lange geleiders, gekenmerkt door ten minste een extra geleider met een lengte in wezen kleiner dan die van elke geleider van het genoemde enkele paar, waarbij de of elke extra geleider zich in 15 dichte nabijheid bevindt maar gelsoleerd is van iin van de geleiders van het enkele paar en door middel van een extra condensator respectievelijk verbonden is met het tweede aansluitpunt, en dat de elektrische koppeling verkregen wordt door het eerste aansluitpunt te verbinden met het ene aangrenzende uiteinde van die geleider van het enkele paar die 20 zich in dichte nabijheid bevindt bij de extra geleider of geleiders.

12. Multiband-antenne volgens conclusie 11 bestemd voor aanslui-ting op een coaxiale voedingslijn met karakteristieke weerstand Rq ohm, waarbij de geleiders van het enkele paar een lengte hebben in wezen een kwart van een vrije-ruimtegolflengte op de frequentie f, met 25 het kenmerk, dat elke extra geleider een lengte heeft in wezen gelegen tussen 1,05 en 1,15 maal een kwart van de vrije-ruimtegolflengte op frequenties, die van elkaar gescheiden zijn door een frequentie-inter-val van ten minste een tiende van f, waarbij de maximale frequentie tot aan tien maal f loopt, en dat de som van de capaciteit van de tussen 30 een bepaalde geleider en het grondvlak aangesloten condensator en elke condensator verbonden met een geleider die korter is dan de bepaalde geleider gelijk is aan l/27ryf Ko Farad, waarbij de resonantiefre-quentie van de bepaalde geleider yf bedraagt.

13. Yagi-antennegroepering voorzien van een aangedreven element en 35 ten minste een richtelement en/of ten minste een reflektie-element, met het kenmerk, dat het aangedreven element een antenne is volgens Sin der conclusies 3 tot 6.

14. Multiband-antennegroepering voorzien van een aangedreven sec- \ tie, een aantal respectievelijke richtelementen ten minste iin voor el-40 ke band, en/of een aantal respectievelij ke reflektie-elementen ten min- 8203528 ", ¢-17 ste €§n voor elke band, met het kenmerk, dat de aangedreven sectie een antenne omvat volgens ien der conclusies 7 - 12.

15. Yagi-antennegroepering volgens conclusie 13 of 14, gekeimerkt door middelen om de groepering aan een coaxiale voedingslijn aan te 5 passen.

16. Yagi-antennegroepering voorzien van een aangedreven element, ten minste een richtelement en/of ten minste een reflektie-element, met het kenmerk, dat het aangedreven element een antenne is volgens conclusie 1 met de twee lange geleiders, alleen van in wezen gelijke lengte, 10 waarbij een uiteinde van de ene geleider grenst aan een uiteinde van de andere geleider, dat een extra lange geleider in dichte nabijheid van de genoemde ene geleider is aangebracht en met de andere geleider een gevouwen dipool vormt, en dat een verdere condensator is aangesloten in serie met de genoemde ene condensator tussen het tweede aansluitpunt en 15 een uiteinde van de extra geleider dat grenst aan de aangrenzende uit-einden van de andere geleiders.

17. Beflektie-antenne voorzien van een reflektor en voedingsstra-ler, met het kenmerk, dat de voedingsstraler een antenne omvat volgens δβη der conclusies 2 - 16.

18. Multiband-grondvlakantenne voorzien van een grondvlakgeleider, een lange geleider loodrecht op de grondvlakgeleider en eerste en tweede aansluitpunten voor aansluiting van de binnen- en buitengeleiders van een coaxiale voedingslijn, gekenmerkt door ten minste een verdere lange geleider, waarbij de lange geleiders in dichte nabijheid maar ge-25 isoleerd zijn van elkaar en verschillende lengten hebben, en loodrecht op de grondvlakgeleider staan, waarbij een uiteinde van elke lange geleider grenst aan de grondvlakgeleider en, behalve de langste, daaraan verbonden is door middel van een respectievelij ke condensator,'en dat de eerste en tweede aansluitpunten verbonden zijn met een uiteinde van 30 de langste geleider en de grondvlakgeleider, waarbij de of elke condensator een faseverschuiving van verschillende tientallen graden ver-schaft tussen spanning en stroom die daaraan toegevoerd worden op een frequentie, waarop de met die condensator verbonden geleider een reso-nantielengte heeft.

19. Antenne volgens conclusie 18, gekenmerkt door de opname van een verdere condensator verbonden tussen de grondvlakgeleider en dat uiteinde van de langste geleider dat grenst aan de grondvlakgeleider, waarbij de verdere condensator een faseverschuiving van verscheidene tientallen graden verschaft tussen spanning en stroom die daaraan wor-40 den toegevoerd op een frequentie waarop de langste geleider een reso- 8203528 nantielengte heeft.

20. Antenne volgens conclusie 18 of 19, waarin de langste geleider een lengte heeft gelijk aan een kwart van de vrije-ruimtegolflengte op een frequentie f, met het kenmerk, dat elke andere geleider een lengte 5 heeft bij benadering gelijk aan een kwart van de vrije-ruimtegolflengte op frequenties, die van elkaar gescheiden zijn door een frequentie-in-terval van ten minste een tiende van f, waarbij de maximale frequentie tot aan tien maal f loopt.

21. Antenne volgens §§n der conclusies 18, 19 of 20 bestemd voor 10 aansluiting op een coaxiale voedingslijn met karakteristieke weerstand Ro ohm, met het kenmerk, dat de som van de capaciteiten van de met een bepaalde van de geleiders verbonden condensator en elke met een kortere genoemde lange geleider verbonden condensator gelijk is aan 1/271"yf ®o Farad, waarbij de bepaalde geleider een lengte heeft bij 15 benadering gelijk aan een vrije-ruimtekwartgolflengte op een frequentie yf.

22. Antenne volgens Sin der conclusies 18 - 21, met het kenmerk, dat elke lange geleider behoort bij een respectievelijke band van frequenties, waarbij de langste geleider een lengte heeft in wezen gelijk 20 aan een kwart van de vrije-ruimtegolflengte op de middenfrequentie van de bij die geleider behorende band, en dat elke andere geleider een lengte heeft in wezen gelegen tussen 1,05 en 1,15 maal een kwart van de vrije-ruimtegolflengte op de middenfrequentie van de bij die geleider behorende band. ******** 8203528