NO145323B - Bredbaandpiskantenne. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en bredbåndpiskantenne med til-

nærmet konstant impedans over mere enn et oktavbånd.

Det er vel kjent at en kvartbølgelengdeantenne er

meget smalbåndet med økende VSWR og avtagende forsterkning når den frekvens som skal bearbeides forskyves fra den frekvens som antennen er konstruert for nemlig svarende til en kvartbølge-lengde. For en kjøretøyantenne er det ønskelig at antennen kan arbeide over et større bånd enn en oktav med tilnærmet konstant forsterkning svarende til en vanlig kvartbølgeantenne. Det er også ønskelig å ha en så kort antenne som mulig for å minske mekanisk resonans og påvirkning ved passering av steder med lav høyde.

US-patentskrift nr. 3.950.757 beskriver en piskantenne med en båndbredde på minst en oktav. Denne antenne krever motstandsbelastning som er anbragt selektivt langs antennens lengde og som belaster antennen for å minske graden av høy-frekvensenergi som utstråles fra antennen og allikevel opprett-holder lav VSWR over hele oktavbåndet.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en bredbåndpiskantenne som ikke nødvendiggjør motstandsbelastning og som videre minsker antennelengden samtidig som forsterkningen øker over en båndbredde større enn en oktav med en forsterkning tilnærmet lik en smalbånd-kvartbølgeantenne.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en ledende basisplate eller motvekt, en piskdel med en sylindrisk leder med en lengde på ca. 0,185 ganger bølgelengden ved den laveste frekvens i båndet, en holder for å feste piskdelen tilnærmet vinkelrett på basisplaten med den nedre ende av pisken i en avstand svarende til en forhåndsbestemt del av bølgelengden, fra basisplaten ved den laveste frekvens i båndet, idet holderen har en lengde som er tilstrekkelig til å holde den andre ende av piskdelen i avstand fra basisplaten svarende til 0,21

ganger bølgelengden for den laveste frekvens, en koaksialkabel med én karakteristisk impedans mellom indre og ytre leder over hele båndet, og en bredbåndferrittransformator mellom den indre og ytre leder og den nedre ende av pisken nærmest basisplaten

for å transformere piskens strålingsmotstand til tilnærmet koaksialkabelens karakteristiske impedans for å minske variasjon av antennens VSWR målt ved koaksialkabelen. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2-7.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under hen-visning til tegningene.

Fig. 1 viser et aksialt snitt gjennom den nedre del

av en antenne ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser skjematisk en antenne ifølge oppfinnelsen forbundet med tilhørende utstyr. Fig. 3 viser.et koplingsskjerna for en antenne ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser skjematisk to antenner ifølge oppfinnelsen som arbeider som dipol.

Fig. 5 viser skjematisk to samvirkende dipoler som

hver består av et par antenner ifølge oppfinnelsen.

Bredbåndpiskantennen 10 på fig. 1 omfatter en ledende sylindrisk piskdel 12 med en total lengde LA. Den ene ende 12a av piskdelen er omgitt av en flensdel 14 av høyfrekvensisola-sjonsmateriale. Flensen 14 er forsynt med innvendige gjenger som samvirker med utvendige gjenger 15 i den ene ende 16a av en sylindrisk hylse 16 som også består av høyfrekvensisolasjons-materiale. Hylsen 16 og piskdelen 12 er koaksialt festet til hverandre. Den andre ende 16b av hylsen er opptatt i en ledende hylse 17 med en aksial lengde L_.. Enden av den ledende hylse 17 er i motsatt ende av hylsen 14 fast forbundet med en basisplate 18 som f.eks. et kjøretøys karosseri. Den ledende hylse 17 gir vesentlig mekanisk styrke til isolasjonshylsen 16 og forenkler feste av antennen 10 på basisplaten 18.

Sentralt i enden 16a av isolasjonshylsen 16 er det anordnet en ledende kontakthylse 20 som opptar enden 12a av piskdelen 12 for mekanisk og elektrisk forbindelse med flensen 14. En tilpasningstransformator 22 er anordnet i isolas jons-hylsen 16 beskyttet mot omgivelsene og forsynt med en ring-formet ferrittkjerne 24 hvis sentrum ligger i planet for den frie ende 17a av den ledende hylsen 17 i avstanden Lg fra basisplaten 18 og så nær enden 12a av piskdelen som mulig. En primærvikling 26 og en sekundærvikling er bifilært viklet på kjernen 24. Den ene ende 26a av primærviklingen er forbundet med den sentrale leder 28 i en høyimpedans koaksialkabel 30

med en lengde L ckoaksialt anordnet i isolasjonshylsen 16.

Den ene ende 27a av sekundærviklingen er elektrisk forbundet med et loddøre 33 på kontakten 20. Den andre ende 26b resp.

27b av de to viklinger er elektrisk forbundet med koaksialkabelens 30 ytre leder. Den frie ende av koaksialkabelen 30 er for-

bundet med en standard koaksialkabel 36 med en karakteristisk impedans ZQ lik 50 ohm som er ført inn gjennom en åpning 38

i basisplaten 18. Den frie ende av ytterlederen 32 er elektrisk forbundet med jord gjennom koaksialkabelen 36 eller ved en forbindelse 39 som er vist med strekede linjer på fig. 1, til basisplaten 18 til et punkt som grenser til omkretsen av åp-

ningen 38.

Ved en foretrukket utførelse er enden av koaksialkabelen

30 nærmest basisplaten både med dens indre leder 28 og dens ytre leder 32 forbundet via en impedanstilpasningskrets 40

med en kvartbølge-koaksialtilpasningsdel (fig. 2) med en karakteristisk impedans Z, og dermed til standard koaksial-

kabelen 36 slik det skal forklares nærmere nedenfor.

Ved en utførelse ifølge oppfinnelsen har piskdelen 12 en lengde L^ lik 0,185 A for den laveste frekvens som skal bearbeides. Lengden av isolasjonshylsen 16 er valgt slik at senteret for fenittransformatoren 22 og den tilgrensende piskdelforbindelse ved enden 12a har en avstand Lg lik 0.025 A

over basisplaten 18. Den totale lengde fra piskdelens ende 12b til basisplaten 18 er LA + Lg = 0.21 A for god tilnærmelse til lengden av en kvartbølgepisk ved den laveste frekvens som skal bearbeides, idet man praktisk talt kan se bort fra .

Det har vist seg at den øvre grense for frekvensen for å oppnå tilfredsstillende forsterkning er når piskdelen 12 har en lengde L^ lik 0.465 A. Forholdet mellom denne øvre frekvens-grense og den lavest brukbare frekvens er gitt ved W = 0.465/0.185 = 2.5 for en bredbåndpiskantenne med et bånd

som er bredere enn en oktav av den brukbare frekvens.

Ved den høyeste frekvens innenfor båndbredden 2.4:1 er avstanden Lg lik 0.063 A og lengden fra piskdelens ende 12b til basisplaten 18 er tilnærmet lik en halv bølgelengde av denne øvre frekvens.

Under drift er hylsen 16 akkurat lang nok ved den

nedre ende av båndet, slik at den totale lengde av en til-

nærmet kvartbølge kan oppnås uten å gjøre piskdelen for lang ved den høyeste frekvens innenfor båndet.

Pig. 2 viser en høyfrekvenskilde 50 med en vilkårlig frekvens innefor et frekvensbånd som er større enn en oktav,

og denne kilde er via koaksialkabler 36,42 og 32 og en impedanstilpasningskrets 40 koplet med primærviklingen 26 i transformatoren 22 hvis sekundaervikling 27 er koplet med piskdelen 12. Transformatoren 22 er bifilærviklet med impedanstransformering 1:4. Piskdelen 12 er gjennom den ytre leder 32 koplet med basisplaten 18 som virker som motvekt f0r antennen for dobling av antennelengden og bevirke en pseudo-strømfordeling for hele avstanden L. og Lg.

Verdien av strålingsmotstanden R. for en bunnmatet bredbåndantenne uten hylsen ifølge oppfinnelsen varierer fra tilnærmet 25 ohm ved en piskantenne med en lengde på 0,2 A, til ca.

800 ohm når antennepisken ved antiresonans har en lengde på

0,4 X for en motstandsspredning på 800/25 = 32. Isolasjonshylsen 16 hever fotpunktet for piskeantennen 12 med en lengde Lg over basisplaten 18 for å øke fotpunktets strålingsmotstand

R^ til 50 ohm ved den laveste frekvens;-' av båndet som er større enn en oktav uten å endre antennens strålingsmotstand ved antiresonans. Isolasjonshylsen bevirker en reduksjon av strålings-motstandens spredning til 800/50 = 16, det vil si at strålings-motstandens spredning minskes med en faktor 2.

Bredbåndimpedanstransformatoren 22 gir en jevn impedans-reduksjon 4:1 som gir en strålingsmotsand på 12,5 ohm ved den lavfrekvente ende av frekvensbåndet og en strålingsmotstand på 200 ohm ved antiresonans, for å gi en hovedsakelig konstant 4:1 VSWR over båndbredden som er større enn en oktav i forhold til den karakteristiske impedans på 50 ohm for kabelen 36.

Pig. 3 viser hvorledes den tranformerte antenneimpedans opptrer over primærviklingen 26 i transformatoren 22, omfattende antennestrålingsmotstanden R. som er shuntet med antiresonans-impedansen ved en selvinduksjon L og en kapasitet C i serie med en antennekapasitet C. og en lekkasjeinduktans L i transformatoren. Tranformatoren 22 er konstruert slik at lekkasje-induktanten L X danner serieresonans med antennekapasiteten C A ved den lavfrekevnte ende av båndet. Hele antennepisken og trans-formatorimpedans.en opptrer som en motstand over primærviklingen 26 med en størrelse som er lik produktet av den hovedsakelig konstante VSWR og den karakteristiske impedans for standard koaksialkabelen 36 eller tilnærmet 200 ohm strålingsmotstand over frekvensbåndet som er større enn en oktav.

4:1 VSWR minskes ytterligere til en maksimal VSWR på

3:1 ved en bredbåndtilpasningskrets som omfatter koaksialkabelen 30 med en karakteristisk impedans på ca. lOOohm. Lengden Lq for koaksialkabelen 30 er gjort størst mulig ved å minske lengden L~ som opptas av tilpasningskretsen 40 i størst mulig grad. En foretrukket topolet tilpasningskrets 40 omfatter en serieresonanskrets 60 med en shunt resonanskrets 62 pluss en kvartbø'lge-koaksialkabel 42. Tilpasningskretsen 40 er ikke viktig for den grunnleggende drift av antennen 10 idet reduk-sjonen av 4:1 VSWR for antennens strålingsmotstand R^ til en transformert strålingsmotstand ZIN har et' maksimum VSWR mindre enn 3:1 på tilpasningskretsens klemmer 42a og 42b hvilket er ønskelig..

Det har vist seg at anvendelsen av transformatoren 22

med ferittringkjerne gir muligheten for en bredbåndantenne uten motstandsbelastning av piskdelen 12. Ekstra forsterkning på

ca. 1,5 db oppnås ved antennen 10 i forhold til en motstands-belastet-bredbåndantenne, fordi en del av høyfrekvens-enérgien ikke forsvinner i belastningsmotstanden.

Ekstra forsterkning over et frekvensbånd på minst 2.5:1 oppnås ved en foretrukket utførelae 100 av en dipolantenne bestående av to brådb.åndpiskantenner ifølge oppfinnelsen hvis lengdeakser er koaksiale og de frie ender rager i motstått retning. En bredbåndimpedanstransformator 101 er anordnet i et jordet

hus 102 og tjener som basisplate og bæreorgan for begge pisk-antennene 12 som vist på fig. 4. Primærviklingen 103 i transformatoren 101 er koplet med koaksialkabelen 36' og sekundærviklingen 104 er koplet med sine ender 105, 106 med de to bredbåndpiskantenner 10'a og 10'b.

Høyfrekvensstrømmen som flyter i primærviklingen 103 induserer strøm i motsatte retninger på viklingsendene 105

og 106 slik at en strøm flyter inn i den ene piskantenne og ut fra den andre. Antennestrømmen i antennen 10'a øker når antennestrømmen i antennen 10'b avtar slik at det dannes en dipol på tilnærmet en hel bølgelengde av den maksimale frekvens

av en båndbredde på minst 2.5:1. Antenneforsterkningen er øket til ca. +2dB. en forsterkning på ca. 3dB større en forsterkningen i en enkel piskeantenne 10.

Inngangsimpedansen ZJN for hver piskantenne opptrer

i serie med sekundærviklingen 104 og gir en sekundærbelastnings-impedans på 2ZIN- Impedanstransformeringen 2:1 mellom primær og sekundærviklingen 103 og 104 er valgt slik at denne sekundær-viklings-belastningsimpedans transformeres til Z TM over primærviklingen i03 og tilpasser den karakteristiske impedans av koaksialkabelen 36'.

Fig 5 viser en antenne 200 somgir enda større forsterkninger i tillegg til et retningsmønster. Antennen 200 består av en første og andre dipol 201 og 202 med en innbyrdes avstand S=l/4 bølgelengde av senterfrekvensen av et frekvensbånd på minst 2.5:1. Hver dipol inneholder en første piskantenne 10''a eller 10''c og en,andre piskeantenne 10''b eller 10''d som parvis er anordnet koaksialt. Dipolenens akser ligger begge i et enkelt plan.

Høyfrekvensenergien fra koaksialkabelen 36" mottas av en gaffelkopling 203 med en impedanstransformering 1:1 og utganger i motsatt fase. Gaffelkoplingen 203 er innvendig koplet for å opprettholde motsatt faseforhold på klemmene 203a og 203b ved hvilke de to antennepar er parallellkoplet.

I faseutgangen 203a og motsatt faseutgangen 203b energi-serer den første og andre piskeantenne 10''a og 10''b i den første dipol 201 via koaksialkabelene 210 og 211 med en elektrisk lengde Lg. Da hver piskeantenne i den første dipol 201 mates i motsatt fase vil den første dipol gi en ekstra forsterkning på +2dB på samme måte som beskrevet for dipolantennen 100 .

Den første piskatenne 10''c i den andre dipol 202 mottar høyfrekvensenergi av den motsatte fase fra uttaket 203b via koaksialkabelen 214 og den andre piskantenne 10''d mottar høyfrekvensenergi i fase fra utgangnen 203a via koaksialkabelen 215- Begge koaksialkabler 214 og 215 har samme lengde L^,

en kvartbølgelengde lengre enn lengden LQ for koaksialkabelene 210 og 211 L^ = Lq + Al/4. Antennestrømmene i øyeblikket

i den første antenne 10''a eller 10<*>'c er av motsatt fase

til antennestrømmene i øyeblikket som flyter i den andre antenne 210''b eller 210''d, og hele antennestrømmen flyter til h

den andre dipol 202 90° faseforskjøvet i forhold til antenne-strømmen som flyter i den første dipol 201 som følge av forsinkelsen på en ekstra kvartbølge av koaksialkabelen 214

og 215. Denne 90° faseforskyvning kombinert med 1/4 bølge-lengdes avstand mellom de to dipoler gir et kardipidformet antenneretningsmønster med ekstra 3dB forsterkning i retning av pilen R. Dobbelt dipolantennen 200 resulterer således i en total antenneforsterkning på +5dB.

Claims (7)

1. Bredbåndpiskantenne med hovedsaklig konstant impedans i et høyfrekvensbånd på ca. 2,5:1, karakterisert ved en ledende basisplate eller motvekt (18), en piskdel (12) med en sylindrisk leder med en lengde på ca. 0,185 ganger bølgelengden ved den laveste frekvens i båndet, en holder (16, 17) for å feste piskdelen tilnærmet vinkelrett på basisplaten med den nedre ende (12a) av pisken i en avstand svarende til en forhåndsbestemt del av bølgelengden, fra basisplaten ved den laveste frekvens i båndet, idet holderen har en lengde som er tilstrekkelig til å holde den andre ende (12b) av piskdelen i avstand fra basisplaten svarende til 0,21 ganger bølge-lengden for den laveste frekvens, en koaksialkabel (36) med én karakteristisk impedans mellom indre og ytre leder over hele båndet, og en bredbåndferrittransformator (22) mellom den indre og ytre leder og den nedre ende av pisken nærmest basisplaten for å transformere piskens strålingsmotstand til tilnærmet koaksialkabelens karakteristiske impedans for å minske variasjon av antennens VSWR målt ved koaksialkabelen.

2. Antenne ifølge krav 1, karakterisert ved at ferrittransformatoren (22) har en primærvikling (26) og en sekundærvikling (27) som er viklet bifilært med hverandre, hvilken primærvikling er elektrisk koplet mellom koaksialkabelens (36) indre og ytre leder, og .sekundærviklingen er elektrisk koplet mellom koaksialkabelens ytre leder og den nevnte nedre ende (12a) av piskdelen.

3. > .-.*• Antenne ifølge krav 1, karakterisert v é d en impedanstilpasningskomponent som omfatter en del av en andre koaksialkabel (30) med en karakteristisk impedans som er større enn for den første koaksialkabel (36) og koplet mellom den første koaksialkabel og primærviklingen (26).

4. Antenne ifølge krav 3, karakterisert ved en ytterligere impedanstilpasningskomponent som omfatter en topolet tilpasningskrets (40) som er koplet med den andre koaksialkabel (30), og en kvartbølgelinje (42) som er koplet mellom tilpasningskretsen og den andre koaksialkabel.

5. Antenne omfattende et par bredbåndpiskantenner ifølge krav 1, karakterisert ved at to piskantenner (12) er anordnet aksialt i flukt på tvers av basisplaténs (102) plan med holderne overfor hverandre, og at det er anordnet hjelpemidler for samtidig overføring av tilnærmet samme amplitude av høyfrekvensenergi fra koaksialkabelen (36') og i motsatt fase til de to piskantenner med en antenneforsterkning som er tilnærmet det dobbelte av en enkelt piskantenne..

6. Antenne omfattende et par dipolantenner ifølge krav 5, karakterisert ved at den felles akse for hver dipol ligger i et første plan og har en parallellavstand fra den andre dipol som er lik en forhåndsbestemt del av en bølgelengde av en senterfrekvens i oktavbåndet, og at det er anordnet hjelpemidler (203) for tilførsel av høyfrekvensenergi med et forhåndsbestemt faseforhold fra koaksialkabelen til hver av de motsatte faseoverføringsinnretninger (203a,203b), idet parallellavstanden og faseforsinkelsen samvirker for å gi et strålingsmønster med øket forsterkning og retningskarak-teristikk i forhold til en enkeltdipol.

7. Antenne ifølge krav 6, karakterisert ved at. dipolparene har en innbyrdes avstand på en kvart bølgelengde av senterfrekvensen, at forsinkelsen er forhåndsbestemt til 90° til én av dipolene, slik at det dannes et hovedsakelig kardioidformet strålingsmønster for favorisering av den ene av dipolene.