WO2025252564A1 - Antennenanpassvorrichtung - Google Patents

Antennenanpassvorrichtung

Info

Publication number
WO2025252564A1
WO2025252564A1 PCT/EP2025/064736 EP2025064736W WO2025252564A1 WO 2025252564 A1 WO2025252564 A1 WO 2025252564A1 EP 2025064736 W EP2025064736 W EP 2025064736W WO 2025252564 A1 WO2025252564 A1 WO 2025252564A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
antenna
antenna matching
load
matching device
matching circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/064736
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mirko SCHELSKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tkms Hagenuk Marinekommunikation GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
Tkms Hagenuk Marinekommunikation GmbH
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tkms Hagenuk Marinekommunikation GmbH, ThyssenKrupp AG filed Critical Tkms Hagenuk Marinekommunikation GmbH
Publication of WO2025252564A1 publication Critical patent/WO2025252564A1/de
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/02—Transmitters
    • H04B1/04—Circuits
    • H04B1/0458—Arrangements for matching and coupling between power amplifier and antenna or between amplifying stages

Definitions

  • the invention relates to broadband data transmission in the shortwave range using antennas that are too short in relation to the transmission frequency.
  • Shortwave radios operate, for example, in the frequency range of 1.5–30 MHz. These are typically used, especially in maritime environments, i.e., on watercraft, particularly underwater vehicles, in combination with rod antennas (also known as vertical antennas) with lengths of 7–10 meters.
  • the optimal length of the rod antenna corresponds to one-quarter of the wavelength (A/4) of the transmitted signal.
  • the antennas are significantly shorter than A/4 due to their mechanical length.
  • rod antennas present impedances with high Q-factors. This high antenna Q-factor, due to the Bode-Fano limit (a physical-technical relationship), results in an unavoidably narrow impedance matching.
  • an antenna tuning unit with an antenna matching circuit is typically used.
  • the antenna tuning unit is also referred to as an antenna matching device.
  • the antenna matching circuit performs an impedance matching of the antenna to the 50 Q system impedance of the transmitter at the set operating frequency. In the lower frequency range, however, the high Q factor of the antenna impedance results in a narrowband match. This means that the available bandwidth, especially during transmission, is severely limited. For example, with a 7-meter whip antenna and a transmission frequency of 1.6 MHz, it is only about 8 kHz.
  • US 5,604,507 A discloses an antenna with a front-mounted load for broadband tuning. It also discloses a resistive wire, which increases the electrical length of the antenna through the inductance it generates. The resistive component of the resistive wire increases the bandwidth. However, it does not represent inductive coupling (cf., e.g., a transformer) of a load. Rather, the resistive wire itself forms an inductive and resistive load.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for antenna matching devices.
  • Exemplary embodiments show an antenna matching device comprising an antenna matching circuit, a load, and a contact for connecting an antenna.
  • the antenna matching circuit serves to match a transmitted signal to an antenna by means of the impedance matching described in the introduction.
  • the antenna matching circuit outputs a matched, in particular impedance-transformed, transmitted signal.
  • the load attenuates the matched transmitted signal, i.e., energy is extracted from the transmitted signal.
  • the antenna matching device provides the attenuated transmitted signal at the contact for transmission to the antenna.
  • the load is inductively coupled between the antenna matching circuit and the contact for connecting the antenna.
  • the idea is therefore to widen the bandwidth of the transmission system (signal generator, antenna matching device, antenna) by deliberately introducing losses. This makes it possible to transmit broadband radio signals with a bandwidth of, for example, at least 48 kHz using whip antennas at low frequencies of, for example, 1.6 MHz. The distortion of the transmitted signal is so low that reliable data transmission is possible.
  • Inductive coupling introduces the losses between the antenna matching circuit and the antenna, resulting in a frequency response that is as undistorted as possible.
  • the antenna matching circuit and the antenna form a resonant circuit, which is coated by the load.
  • Inductive coupling also offers further advantages.
  • the load is subjected to a much lower voltage than if the resistor were placed directly in the circuit between the antenna matching circuit and the antenna connection. This allows the use of commercially available load resistors with good thermal coupling for cooling.
  • inductive coupling eliminates the common-mode component, enabling the resistor to operate with respect to ground. Compared to a high-power resistor with cooling, the coils used for inductive coupling require significantly less space. This facilitates implementation in confined installation situations (e.g., in the mast of a submarine).
  • the load is galvanically isolated from the antenna and the antenna matching circuit by inductive coupling.
  • This has the advantage that the resistor is not exposed to the high voltages (common-mode voltages) in the antenna feed line (i.e., at the antenna contact). This would otherwise necessitate the use of special high-voltage resistors with low capacitive load and complex cooling. Such complex cooling typically introduces parasitic capacitances. Furthermore, it can create space constraints.
  • a ground-referenced signal is present, allowing the use of standard high-frequency load resistors, optionally with a standard heat sink.
  • Inductive coupling is achieved, for example, by means of two coupled coils. Such an arrangement of coils can also be referred to as a transformer.
  • no voltage transformation and therefore no resistance transformation takes place; instead, a 1:1 coupling occurs.
  • a specific bandwidth can be achieved or predetermined for a given antenna and minimum transmission frequency. This allows the same load and the same (feed) line (e.g., coaxial cable) to be used for any antenna.
  • feed line e.g., coaxial cable
  • a coil for inductive coupling (in particular the primary coil in the circuit between the antenna matching circuit and the antenna connection contact) has an inductance of less than 15 pH, preferably less than 10 pH, and more preferably less than 7 pH.
  • Conventional transformers typically have a significantly higher inductance. Higher inductances reduce interference and improve the coupling between the coils. The advantage of the lower inductances is the reduced resulting capacitance, which would otherwise negatively affect the antenna matching device.
  • both coils for inductive coupling have the same number of turns.
  • both coils advantageously have the same inductance.
  • the connected load is inductively coupled into the circuit between the antenna matching network and the antenna connection point without any (voltage) transformation.
  • Using a coil arrangement with two coils of the same inductance and number of turns has the advantage that the turns of both coils can be wound on the same core. This arrangement is very small and therefore space-saving, which is advantageous for integration on watercraft, especially underwater vehicles.
  • inductive coupling is achieved using two air-core coils.
  • the two coils are alternately mounted on the same air core.
  • the coils are wound in a single layer. This ensures optimal use of the limited available installation space. Particularly in submarines, but also on ships, the overall installation space for the antenna matching unit is severely restricted due to the limited space available. Therefore, a small installation space for the antenna matching unit is essential for effective integration, at least on watercraft.
  • the core material "air” is advantageous for reducing losses due to the high field strengths in the coils compared to, for example, an iron core.
  • air provides the necessary electrical insulation between the primary and secondary windings, as required here, especially when the windings of both coils are on the same (air) core.
  • air's low permittivity, i.e., its low electrical polarizability ensures low stray capacitance between the windings. Excessive stray capacitance has a negative impact and distorts the signal.
  • the load is arranged remotely from the antenna matching circuit. That is, the load can be located, for example, outside the housing of the antenna matching device, or at least away from other electronics that generate significant heat. This allows for simpler cooling or even eliminates the need for separate cooling altogether. In any case, the energy, and thus the heat, is dissipated to a designated location, thereby preventing overheating of the antenna matching device. Furthermore, it is possible, for example in a submarine, to relocate the generated heat from the exterior to the interior, thus reducing the submarine's thermal signature.
  • the load can be connected via a coaxial cable.
  • the coaxial cable preferably has a characteristic impedance of 50 ohms.
  • the load can be operated remotely from the antenna matching circuit without any limitations. This reduces the thermal stress on the antenna matching circuit or antenna matching device. Therefore, if a 50-ohm coaxial cable is used, a (purely real) load, i.e., an ohmic resistance, of 50 ohms is also advantageously achieved. Ohms are used. 50 ohms are often used, as this corresponds to the most common system of impedance in high-frequency technology.
  • the antenna matching device has a switchable bypass, i.e., a bypass around the load, to disconnect the load so that the antenna matching circuit is connected to the antenna terminal without the load.
  • a switchable bypass i.e., a bypass around the load
  • the bypass can, for example, bridge the inductance for inductive coupling of the load.
  • the antenna matching circuit can be designed for a wide frequency range, for example, a frequency range from 1.5 MHz to 30 MHz.
  • a selected antenna for example, a whip antenna of, say, 7-10 m, it may be sufficient to attenuate the transmitted signal in the lower frequency range with the load.
  • the transmitted signal in the frequency range up to 5 MHz, preferably up to 4 MHz, and more preferably up to 3.5 MHz when using a 7-10 m whip antenna.
  • the desired bandwidth of more than 48 kHz is achieved even without attenuation of the transmitted signal, and the load can be bypassed. This means that no inductive coupling of the load occurs at these frequencies. Therefore, switching from a narrowband transmission channel to a broadband transmission channel can be remotely controlled. The switching is accomplished by disabling or activating the bypass.
  • the switching occurs in the lower frequency range (e.g., up to 5 MHz for the antenna described above).
  • high efficiency can be achieved in both the narrowband and broadband transmission channels, even without a load.
  • the switching can be performed, for example, in the antenna matching network. Thus, higher efficiency can be achieved for narrowband applications with the bypass engaged.
  • a watercraft in particular a manned submarine, comprising an antenna and the antenna matching device according to one of the preceding claims is disclosed, wherein the antenna is connected to the contact.
  • the antenna is a rod antenna with a length of 7-10 m.
  • Fig. 1 a schematic circuit diagram of a system with an antenna matching device with a load connected in series with an antenna matching circuit;
  • Fig. 2 a schematic circuit diagram of a system with an antenna matching device with a load connected in parallel to an antenna matching circuit
  • Fig. 3 a schematic circuit diagram of a system with an antenna matching device with a load inductively connected in a circuit between the antenna matching circuit and the contact for connecting the antenna;
  • Fig. 4 a schematic circuit diagram of a system with an antenna matching device with a load inductively connected in a circuit between the antenna matching circuit and the contact for connecting the antenna, wherein the load can be bypassed;
  • Fig. 5 a schematic representation of the system on a submarine as an example of a watercraft.
  • Fig. 1 shows a schematic circuit diagram of a system 22 with an antenna matching device 20, which includes a load 24 and an antenna matching circuit.
  • the antenna matching circuit 26 has a load 24 connected in series with the antenna matching circuit 26. Load 24 is represented as an ohmic resistor.
  • the antenna matching circuit 26 serves to match a transmit signal 28 to an antenna 30, whereby the antenna matching circuit 26 outputs a matched transmit signal 32.
  • the transmit signal 28 can be provided by a signal generator 33.
  • the load 24 overlays the matched transmit signal 32.
  • the antenna matching device 20 can provide an overlaid transmit signal 35 at a contact 34 for connecting the antenna 30. By overlaying the transmit signal, the bandwidth of the system 22 is increased.
  • a series resistor offers the advantage that a relatively low resistance value in the range of approximately 20-100 ⁇ is required for damping.
  • a disadvantage of the series resistor is the high common-mode voltage it experiences during operation. Using 500 W of transmit power, this results in voltages of several kilovolts. Simultaneously, high losses occur in the resistor, necessitating adequate cooling.
  • Fig. 2 shows a schematic circuit diagram of system 22 in a further embodiment.
  • the load 24 is not connected in series, but in parallel with the antenna matching circuit 26.
  • a parallel resistor (to ground) with the same effect as the series resistor in Fig. 1 is in the range of 15–100 k ⁇ . This would significantly restrict the selection of suitable high-power resistors.
  • Fig. 3 reveals a schematic circuit diagram of a preferred embodiment of the system 22.
  • the load 24 is inductively coupled between the antenna matching circuit 26 and the antenna 30.
  • the inductive coupling avoids the disadvantages of connecting the load 24 in series and in parallel, as shown in the embodiments according to Fig. 1 and Fig. 2.
  • the inductive coupling is achieved, for example, by means of two coupled coils 38.
  • Such an arrangement of the coils can also be called a transformer, preferably without any Voltage transformation and therefore no resistance transformation takes place, but rather a 1:1 coupling occurs.
  • the load 24 is arranged remotely from the antenna matching circuit 26 and optionally also remotely from the antenna matching device 20.
  • a line 36 for example a coaxial cable, is used for this separation.
  • Fig. 4 shows a schematic circuit diagram of system 22 in a modified embodiment.
  • the antenna matching device has a bypass 40 with which the load 24 can be bypassed.
  • the bypass 24 can be activated, for example, by means of two switches, a first switch 42 and a second switch 44. Switching the switches 42 and 44 disconnects the coils 38, so that the load 24 is no longer inductively coupled between the antenna matching circuit and the antenna. This means that the matched transmit signal 32, and not the vaporized transmit signal 35, is provided at contact 34.
  • Suitable high-frequency relays for example, can be used as switches.
  • Fig. 5 A schematic diagram of the antenna matching device 20 on a submarine 46 as an example of a watercraft.
  • the submarine 46 dives below the water's surface 48 and travels, for example, at periscope depth.
  • the antenna 30 is extended so that it can radiate above the water's surface 48.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

Es ist eine Antennenanpassvorrichtung (20) mit einer Antennenanpassschaltung (26), einer Last (24) und einem Kontakt (34) zum Anschluss einer Antenne (30) offenbart. Die Antennenanpasschaltung (26) dient zur Anpassung eines Sendesignals (28) an eine Antenne (30), wobei die Antennenanpassschaltung (26) ein angepasstes Sendesignal (32) ausgibt. Die Last (24) bedämpft das angepasste Sendesignal (32), so dass an dem Kontakt (34) ein bedämpftes Sendesignal (35) bereitgestellt wird, wobei die Last (24) induktiv zwischen die Antennenanpassschaltung (26) und dem Kontakt (34) zum Anschluss der Antenne (30) eingekoppelt ist.

Description

Antennenanpassvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine breitbandige Datenübertragung im Kurzwellenbereich mittels, bezogen auf die Übertragungsfrequenz, zu kurzen Antennen.
Kurzwellen-Geräte arbeiten beispielsweise im Frequenzbereich von 1 ,5-30 MHz. Diese werden, insbesondere im maritimen Umfeld, d.h. auf Wasserfahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen, meist in Kombination mit Stabantennen (auch als Vertikalantenne bezeichnet) mit Längen von 7-10m verwendet. Die optimale Länge der Stabantenne entspricht einem Viertel der Wellenlänge (A/4) des ausgesendeten Signals. Im unteren Frequenzbereich sind die Antennen, bedingt durch ihre mechanische Länge, deutlich kürzer als A/4. In diesem Fall stellen Stabantennen Impedanzen mit hohen elektrischen Güten dar. Die hohe Antennengüte sorgt durch das Bode-Fano-Limit (ein physikalisch-technischer Zusammenhang) für eine unumgänglich, schmale Impedanzanpassung.
Für eine optimale Leistungsübertragung vom Sender zur Antenne kommt i.d.R. ein Antennenanpassgerät (ATU - Antenna Tuning Unit) mit einer Antennenanpassschaltung zum Einsatz. Das Antennenanpassgerät wird auch als Antennenanpassvorrichtung bezeichnet. Die Antennenanpassschaltung vollzieht eine Impedanzanpassung der Antenne auf die 50 Q Systemimpedanz des Senders auf der eingestellten Betriebsfrequenz. Im unteren Frequenzbereich sorgt die hohe Güte der Antennenimpedanz jedoch für eine schmalbandige Anpassung. Das bedeutet, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite, insbesondere im Sendefall, stark eingeschränkt ist. Sie liegt beispielsweise bei einer 7m-Stabantenne und einer Sendefrequenz von 1 ,6 MHz bei nur ca. 8 kHz.
Aktuelle Funkstandards, z.B. MIL-STD 188-141 D, STANAG 4203 ED4, verwenden Signale im Bereich 1 ,6-30 MHz bis zu einer Bandbreite von 48 kHz. Bei der Aussendung eines 48kHz-Signals würde ein Großteil der Sendeleistung in diesem Falle im nicht-angepassten Frequenzbereich am ATU zurückreflektiert. Das führt zu einer zusätzlichen Belastung der Endstufe des Senders sowie zu einer Verzerrung des ausgesendeten Signals. Große Bandbreiten sollen über die bisherige Kommunikation über Fernschreiber und Telefonie die Übertragung von größeren Datenraten von bis zu 240kbit/s erlauben. Dies ermöglicht die Nutzung anderer Protokolle wie z.B. IP (Internet Protocol) oder FTP (File Transfer Protocol)
US 5 604 507 A zeigt eine Antenne mit vorgeschalteter Last zur breitbrandigen Abstimmung der Antenne. Dort ist ferner ein „resistive wire“ offenbart, der die elektrische Länge der Antenne durch die erzeugte Induktivität vergrößert. Durch den resistiven Anteil des „resistive wires“ wird die Bandbreite vergrößert. Er stellt jedoch keine induktive Einkopplung (vgl. z.B. Transformator) einer Last dar. Vielmehr bildet der „resistive wire“ selbst eine induktive und resistive Last.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Antennenanpassvorrichtungen zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele zeigen eine Antennenanpassvorrichtung mit einer Antennenanpassschaltung, einer Last und einem Kontakt zum Anschluss einer Antenne. Die Antennenanpassschaltung dient zur Anpassung eines Sendesignals an eine Antenne durch die in der Beschreibungseinleitung beschriebene Impedanzanpassung. Die Antennenanpassschaltung gibt ein angepasstes, insbesondere impedanztransformiertes, Sendesignal aus. Die Last bedämpft das angepasste Sendesignal. D.h., dem Sendesignal wird Energie entzogen. An dem Kontakt stellt die Antennenanpassvorrichtung das bedämpfte Sendesignal bereit, um es an eine die Antenne zu übertragen. Ferner ist die Last induktiv zwischen die Antennenanpassschaltung und dem Kontakt zum Anschluss der Antenne eingekoppelt. Idee ist es somit, die Bandbreite des Übertragungssystems (Signalgenerator, Antennenanpassvorrichtung, Antenne) durch gezieltes Einbringen von Verlusten zu verbreitern. Dies ermöglicht es, breitbandige Funksignale mit einer Bandbreite von beispielsweise mindestens 48kHz mit Stabantennen bei niedrigen Frequenzen von beispielsweise 1 ,6 MHz abzustrahlen. Die Verzerrung des Sendesignals ist dabei so gering, dass eine zuverlässige Datenübertragung möglich ist.
Durch die induktive Einkopplung werden die Verluste zwischen Antennenanpassschaltung und Antenne eingebracht, wodurch ein möglichst unverzerrter Frequenzgang erzielt wird. Antennenanpassschaltung und Antenne bilden einen Schwingkreis, der durch die Last bedampft wird. Die induktive Einkopplung hat ferner weitere Vorteile. Zunächst wird die verwendete Last einer sehr viel niedrigeren Spannung ausgesetzt als wenn der Widerstand unmittelbar im Stromkreis zwischen Antennenanpassschaltung und Kontakt zum Anschluss der Antenne angeordnet ist. Dadurch können handelsübliche Lastwiderstände mit einer guten thermischen Kopplung zur Kühlung verwendet werden. Ferner wird durch die induktive Einkopplung der Gleichtaktanteils eliminiert, so dass der Widerstand massebezogen arbeiten kann. Die Spulen zur induktiven Einkopplung benötigen im Vergleich zu einem Hochlastwiderstand samt Kühlung einen viel geringeren Bauraum. Dies Erleichtert die Realiserung in Einbausituationen mit wenig Platz (z.B. im Mast eines U-Boots).
In anderen Worten ist die Last durch die induktive Einkopplung galvanisch von der Antenne und der Antennenanpassschaltung getrennt. Dies hat den Vorteil, dass der Widerstand nicht den hohen Spannungen (Gleichtaktspannungen) in der Speiseleitung der Antenne (d.h. z.B. an dem Kontakt der Antenne) ausgesetzt ist. Hierdurch wäre es notwendig, spezielle Hochspannungswiderstände mit geringer kapazitiver Last und mit einer aufwendigen Kühlung des Widerstands vorzusehen. Die aufwendige Kühlung hat in der Regel den Effekt, dass parasitäre Kapazitäten eingebracht würden. Ferner kann sich durch die aufwendige Kühlung ein Platzproblem ergeben. Durch die Auskopplung der Last liegt nun jedoch ein auf Masse bezogenes Signal vor, so dass handelsübliche Hochfrequenzlastwiderstände, optional mit Standardkühlkörper verwendet werden können. Die induktive Einkopplung erfolgt beispielsweise mittels zweier gekoppelter Spulen. Eine solche Anordnung der Spulen kann auch als Transformator bezeichnet werden. Für die induktive Einkopplung findet jedoch vorzugsweise keine Spannungstransformation und somit auch keine Widerstandstransformation statt, sondern es erfolgt eine 1 :1 Kopplung.
Durch die Wahl der Induktivität kann bei vorgegebener Antenne und der minimalen Sendefrequenz eine zu erzielende bzw. vorgegebene Bandbreite eingestellt werden. Somit kann für jede Antenne die gleiche Last und die gleiche (Zu-) Leitung (z.B. Koaxialkabel) verwendet werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen weist eine Spule zur induktiven Einkopplung (insbesondere die Primärspule im Stromkreis zwischen Antennenanpasschaltung und Kontakt zum Anschluss der Antenne) eine Induktivität von weniger als 15pH, bevorzugt weniger als 10pH, weiter bevorzugt weniger als 7pH auf. Klassische Transformatoren weisen üblicherweise eine deutlich höhere Induktivität auf. Höhere Induktivitäten verringern störende Einflüsse und verbessern die Kopplung zwischen den Spulen. Vorteilhaft bei den geringen Induktivitäten ist sind die geringeren resultierenden Kapazitäten, die sich negativ auf die Antennenanpassvorrichtung auswirken würden.
Bevorzugt weisen beide Spulen zur induktiven Einkopplung die gleiche Windungszahl auf. Ferner weisen beide Spulen vorteilhafterweise die gleiche Induktivität auf. Somit wird die angeschlossene Last ohne (Spannungs-) Transformation induktiv in den Stromkreis zwischen Antennenanpassschaltung und Kontakt zum Anschluss der Antenne eingekoppelt. Die Verwendung einer Spulenanordnung mit zwei Spulen gleicher Induktivität und Windungszahl hat den Vorteil, dass die Windungen beider Spulen auf den gleichen Kern gewickelt werden können. Diese Anordnung ist sehr klein und somit platzsparend, was für die Integration auf Wasserfahrzeugen, insbesondere auch Unterwasserfahrzeugen, vorteilhaft ist.
In weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt die induktive Einkopplung mittels zweier Luftspulen. Bevorzugt sind die beiden Spulen wechselweise auf denselben Luftkern gewickelt. Somit wird der begrenzte, zur Verfügung stehende Bauraum bestmöglich ausgenutzt. Insbesondere in U-Booten, aber auch auf Schiffen ist der gesamte Bauraum der Antennenanpassvorrichtung wegen des gesamten begrenzten Platzangebots stark beschränkt. Insoweit ist ein kleiner Bauraum der Antennenanpassvorrichtung wesentlich für die tatsächliche Integration, zumindest auf Wasserfahrzeugen. Das Kernmaterial „Luft“ ist vorteilhaft, um die Verluste aufgrund der hohen Feldstärken in den Spulen im Vergleich z.B. zu einem Eisenkern als Kernmaterial zu reduzieren. Außerdem bietet Luft die nötige elektrische Isolation zwischen Primär- und Sekundärwicklung, wie sie hier erforderlich ist, insbesondere wenn die Wicklungen der beiden Spulen auf den gleichen (Luft-) Kern erfolgen. Weiter sorgt die Luft durch ihre niedrige Permittivität, d.h. die geringe elektrische Polarisierbarkeit, für eine niedrige Streukapazität zwischen den Wicklungen. Eine zu hohe Streukapazität hat einen negativen Einfluss und verzerrt das Signal.
Weitere Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Last abgesetzt von der Antennenanpassschaltung angeordnet ist. D.h., die Last kann z.B. außerhalb eines Gehäuses der Antennenanpassvorrichtung angeordnet sein. Zumindest jedoch abseits weiterer sich stark erwärmender Elektronik. Dies ermöglicht eine einfachere Kühlung oder vermeidet sogar, dass eine separate Kühlung eingesetzt werden muss. Jedenfalls wird die Energie und somit die Wärme an einen dafür vorgesehenen Ort abgeführt, wodurch eine Überhitzung der Antennenanpassvorrichtung vorgebeugt werden kann. Ferner ist es möglich, die erzeugte Wärme, z.B. bei einem U-Boot, von dem Außenbereich in den Innenbereich zu verlagern und somit eine Wärmesignatur des U-Boots zu verringern.
Vorzugsweise kann die Last mittels eines Koaxialkabels abgesetzt werden. Das Koaxialkabel weist bevorzugt einem Wellenwiderstand von 50 Ohm auf. Unter Verwendung eines Koaxialkabels mit einem Wellenwiderstand gleich dem Wert des Lastwiderstands kann der Lastwiderstand von der Antennenanpassschaltung ohne Einschränkungen abgesetzt betrieben werden. Dadurch erfährt die Antennenanpassschaltung bzw. die Antennenanpassvorrichtung einen geringeren thermischen Stress. Wird ein Koaxialkabel von 50 Ohm verwendet, wird somit vorteilhafterweise auch eine (rein reelle) Last, d.h. ein ohmscher Widerstand, von 50 Ohm verwendet. 50 Ohm werden gerne verwendet, da dies der gebräuchlichsten System im pedanz in der Hochfrequenztechnik entspricht.
In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Antennenanpassvorrichtung einen zuschaltbaren Bypass, d.h. eine Umgehung der Last, auf, um die Last freizuschalten, so dass die Antennenanpassschaltung ohne die Last mit dem Kontakt zum Anschluss der Antenne verbunden ist. D.h., die Last kann zu bzw. abgeschaltet werden. Der Bypass kann z.B. die Induktivität zur induktiven Einkopplung der Last überbrücken. So kann die Antennenanpassschaltung für einen breiten Frequenzbereich, beispielsweise einen Frequenzbereich von 1 ,5 MHz bis 30 MHz ausgelegt sein. Bei einer gewählten Antenne, beispielsweise einer Stabantenne von z.B. 7-10m, kann es jedoch ausreichend sein, das Sendesignal im unteren Frequenzbereich mit der Last zu bedämpfen. Beispielsweise ist es ausreichend, das Sendesignal im Frequenzbereich bis 5 MHz, bevorzugt bis 4MHz, weiter bevorzugt bis 3,5MHz zu bedämpfen, wenn eine Stabantenne von 7-10m verwendet wird. Bei höheren Frequenzen wird die gewünschte Bandbreite von mehr als 48kHz auch ohne Bedämpfung des Sendesignals erreicht und die Last kann freigeschaltet werden. D.h., es findet keine induktive Einkopplung der Last bei diesen Frequenzen statt. D.h., es kann eine Umschaltung von einem schmalbandigen Übertragungskanal in einen breitbandigen Übertragungskanal ferngesteuert erfolgen. Die Umschaltung erfolgt durch abschalten bzw. zuschalten des Bypass. Das Umschalten erfolgt vorteilhafterweise im unteren Frequenzbereich (z.B. bei der oben Beschriebenen Antenne bis z.B. 5 MHz). Im oberen Frequenzbereich kann auch ohne Last sowohl im schmalbandigen als auch im breitbandigen Übertragungskanal ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Die Umschaltung kann beispielsweise in der Antennenanpassschaltung erfolgen. Somit kann für schmalbandige Anwendungen mit zugeschaltetem Bypass ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden.
Ferner ist ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein bemanntes U-Boot umfassend eine Antenne und die Antennenanpassvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche offenbart, wobei die Antenne mit dem Kontakt verbunden ist. Bevorzugt ist die Antenne eine Stabantenne mit einer Länge von 7-10 m. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : ein schematisches Schaltbild eines Systems mit einer Antennenanpassvorrichtung mit einer Last, die in Reihe zur einer Antennenanpassschaltung geschaltet ist;
Fig. 2: ein schematisches Schaltbild eines Systems mit einer Antennenanpassvorrichtung mit einer Last, die parallel zur einer Antennenanpassschaltung geschaltet ist;
Fig. 3: ein schematisches Schaltbild eines Systems mit einer Antennenanpassvorrichtung mit einer Last, die induktiv in einen Stromkreis zwischen Antennenanpassschaltung und dem Kontakt zum Anschluss der Antenne geschaltet ist;
Fig. 4: ein schematisches Schaltbild eines Systems mit einer Antennenanpassvorrichtung mit einer Last, die induktiv in einen Stromkreis zwischen Antennenanpassschaltung und dem Kontakt zum Anschluss der Antenne geschaltet ist, wobei die Last jedoch mit einem Bypass überbrückbar ist;
Fig. 5: eine schematische Prinzipdarstellung des Systems auf einem U-Boot als Beispiel für ein Wasserfahrzeug.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Systems 22 mit einer Antennenanpassvorrichtung 20, die eine Last 24 und eine Antennenanpassschaltung 26 aufweist. Die Last 24 ist in Reihe zu der Antennenanpassschaltung 26 geschaltet. Als Last 24 ist ein ohmscher Widerstand dargestellt. Die Antennenanpassschaltung 26 dient zur Anpassung eines Sendesignals 28 an eine Antenne 30, wobei die Antennenanpassschaltung 26 ein angepasstes Sendesignal 32 ausgibt. Das Sendesignal 28 kann von einem Signalgenerator 33 bereitgestellt werden. Die Last 24 bedampft das angepasste Sendesignal 32. So kann die Antennenanpassvorrichtung 20 an einem Kontakt 34 zum Anschluss der Antenne 30 ein bedampftes Sendesignal 35 bereitstellen. Durch das Bedampfen des Sendesignals wird die Bandbreite des Systems 22 vergrößert.
Ein Serienwiderstand bietet in dieser Anwendung den Vorteil, dass ein relativ niedriger Widerstandswert im Bereich von ca. 20-100 Q zum Bedämpfen benötigt wird. Ein Nachteil des Serienwiderstandes ist der hohe Anteil von Gleichtaktspannung, den der Widerstand im Betrieb erfährt. Unter Verwendung von 500W Sendeleistung entstehen Spannungen von mehreren Kilovolt. Gleichzeitig entstehen im Widerstand hohe Verluste, die eine entsprechende Kühlung voraussetzen.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des Systems 22 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu der Darstellung aus Fig. 1 ist die Last 24 jedoch nicht in Reihe, sondern parallel zu der Antennenanpassschaltung 26 geschaltet. Ein Parallelwiderstand (nach Masse) mit gleichem Effekt wie der Serienwiderstand in Fig. 1 liegt im Bereich von 15-100 kQ. Dies würde die Auswahl entsprechender Hochlastwiderstände erheblich einschänken.
Fig. 3 offenbart ein schematisches Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Systems 22. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen aus Fig. 1 und Fig. 2 ist die Last 24 induktiv zwischen Antennenanpassschaltung 26 und der Antenne 30 eingekoppelt. Die induktive Einkopplung vermeidet die Nachteile der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Last 24, wie sie in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt sind. Die induktive Einkopplung erfolgt beispielsweise mittels zweier gekoppelter Spulen 38. Eine solche Anordnung der Spulen kann auch als Transformator bezeichnet werden, wobei vorzugsweise keine Spannungstransformation und somit auch keine Widerstandstransformation stattfindet, sondern eine 1 :1 Kopplung erfolgt.
Die Last 24 ist abgesetzt von der Antennenanpassschaltung 26 und optional auch abgesetzt von der Antennenanpassvorrichtung 20 angeordnet. Zum Absetzen wird eine Leitung 36, beispielsweise ein Koaxialkabel, verwendet.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild des Systems 22 in einem modifizierten Ausführungsbeispiel. Ergänzend zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 weist die Antennenanpassvorrichtung einen Bypass 40 auf, mit dem die Last 24 überbrückt werden kann. Der Bypass 24 kann beispielsweise mittels zweier Schalter, einem ersten Schalter 42 und einem zweiten Schalter 44 hinzugeschaltet werden. Durch das Umschalten der Schalter 42, 44 erfolgt das Freischalten der Spulen 38, so dass die Last 24 nicht mehr induktiv zwischen der Antennenanpassschaltung und der Antenne eingekoppelt ist. Das heißt, an dem Kontakt 34 wird das angepasste Sendesignal 32 und nicht das bedampfte Sendesignal 35 bereitgestellt. Als Schalter können beispielsweise geeignete Hochfrequenzrelais verwendet werden.
Fig. 5: eine schematische Prinzipdarstellung des Antennenanpassvorrichtung 20 auf einem U-Boot 46 als Beispiel für ein Wasserfahrzeug. Das U-Boot 46 taucht unterhalb der Wasseroberfläche 48 und fährt beispielsweise auf Seerohrtiefe. Die Antenne 30 ist ausgefahren, sodass sie oberhalb der Wasseroberfläche 48 abstrahlen kann.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste:
20 Antennenanpassvorrichtung
22 System 24 Last
26 Antennenanpassschaltung
28 Sendesignal
30 Antenne
32 angepasste Sendesignal 33 Sendesignalgenerator
34 Kontakt zum Anschluss der Antenne
35 bedampftes Sendesignal
36 Leitung
38 gekoppelte Spulen 40 Bypass
42 erster Schalter
44 zweiter Schalter
46 Wasserfahzeug
48 Wasseroberfläche

Claims

Patentansprüche
1. Antennenanpassvorrichtung (20) mit folgenden Merkmalen:
- einer Antennenanpassschaltung (26) zur Anpassung eines Sendesignals (28) an eine Antenne (30), wobei die Antennenanpassschaltung (26) ein angepasstes Sendesignal (32) ausgibt;
- einer Last (24), um das angepasste Sendesignal (32) zu bedampfen;
- einem Kontakt (34) zum Anschluss einer Antenne (30), wobei die Antennenapassvorrichtung (20) ausgebildet ist, an dem Kontakt (34) ein bedampftes Sendesignal (35) bereitzustellen, wobei die Last (24) induktiv zwischen die Antennenanpassschaltung (26) und dem Kontakt (34) zum Anschluss der Antenne (30) eingekoppelt ist.
2. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß Anspruch 1 , wobei eine Spule (38) zur induktiven Einkopplung eine Induktivität von weniger als 15pH, bevorzugt weniger als 10pH, weiter bevorzugt weniger als 7pH aufweist.
3. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei beide Spulen (38) zur induktiven Einkopplung die gleiche Windungszahl aufweisen.
4. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die induktive Einkopplung mittels zweier Luftspulen (38) erfolgt.
5. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß Anspruch 4, wobei die beiden Spulen (38) wechselweise auf denselben Luftkern gewickelt sind.
6. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Last (24) abgesetzt von der Antennenanpassschaltung (26) angeordnet ist.
7. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß Anspruch 6, wobei die Last (24) mittels eines Koaxialkabels (36) abgesetzt ist.
8. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Antennenanpassvorrichtung (20) einen zuschaltbaren Bypass (40) aufweist, um die Last (24) freizuschalten, so dass die Antennenanpassschaltung (26) ohne die Last (24) mit dem Kontakt (34) zum Anschluss der Antenne verbunden ist.
9. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Last (24) einen ohmschen Widerstand von 50 Ohm aufweist.
10. Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Antennenanpassschaltung (26) für einen Frequenzbereich von 1 ,5 MHz bis 30 MHz ausgelegt ist.
11 . Antennenanpasssystem (22) mit folgenden Merkmalen:
- der Antennenanpassvorrichtung (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche;
- einer Antenne (30), die mit dem Kontakt (34) zum Anschluss der Antenne verbunden ist.
12. Antennenanpasssystem (22) gemäß Anspruch 11 , wobei die Antenne (30) eine Stabantenne mit einer Länge von 7-10 m ist.
13. Wasserfahrzeug (46) umfassend das Antennenanpasssystem (22) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12.
PCT/EP2025/064736 2024-06-04 2025-05-27 Antennenanpassvorrichtung Pending WO2025252564A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102024115558.2A DE102024115558A1 (de) 2024-06-04 2024-06-04 Antennenanpassvorrichtung
DE102024115558.2 2024-06-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025252564A1 true WO2025252564A1 (de) 2025-12-11

Family

ID=95983455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2025/064736 Pending WO2025252564A1 (de) 2024-06-04 2025-05-27 Antennenanpassvorrichtung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102024115558A1 (de)
WO (1) WO2025252564A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5604507A (en) 1996-02-28 1997-02-18 Antenex, Inc. Wide-banded mobile antenna
US20100283699A1 (en) * 2009-05-06 2010-11-11 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Broadband whip antenna
US20130194054A1 (en) * 2012-01-30 2013-08-01 Qualcomm Incorporated Combined directional coupler and impedance matching circuit
CN105428799A (zh) * 2015-11-11 2016-03-23 威海北洋电气集团股份有限公司 射频天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5604507A (en) 1996-02-28 1997-02-18 Antenex, Inc. Wide-banded mobile antenna
US20100283699A1 (en) * 2009-05-06 2010-11-11 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Broadband whip antenna
US20130194054A1 (en) * 2012-01-30 2013-08-01 Qualcomm Incorporated Combined directional coupler and impedance matching circuit
CN105428799A (zh) * 2015-11-11 2016-03-23 威海北洋电气集团股份有限公司 射频天线

Also Published As

Publication number Publication date
DE102024115558A1 (de) 2025-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69427563T2 (de) Abstimmbarer Filter
DE60225032T2 (de) Vorrichtung zur impedanzanpassung in einem verstärker unter verwendung von konzentrierter und verteilter induktanz
DE4343719C2 (de) Hochfrequenzschalter
EP0155647A2 (de) Antennenanordnung in der Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs
DE2650044A1 (de) Frequenzweiche
EP1277290A1 (de) Verfahren und einrichtung zur konditionierung der elektrischen gebäudeinstallation für die schnelle datenübertragung
DE69217147T2 (de) Funksendeempfänger
DE2733478A1 (de) Kraftfahrzeug als antenne
DE4007824C2 (de) Fahrzeugantenne für Funkdienste mit einem stabförmigen Antennenelement
DE102024115558A1 (de) Antennenanpassvorrichtung
DE3423205C2 (de)
DE3022023C2 (de)
DE3405113C2 (de)
DE19728500C1 (de) Datenübertragungssystem zur Übertragung von Daten über wenigstens ein elektrisches Energiekabel
EP0044909B1 (de) Mehrfach-Abzweigeinrichtung für Hochfrequenzsignale
DE19623832C2 (de) Hochfrequenzrauschbeseitigung zur Verwendung in Telephonsystemen
DE2311861C2 (de) Aktive Empfangsantenne mit einem passiven Antennenteil in Form einer Leiterschleife
DE69727072T2 (de) Elektrischer datenkoppler mit spannungs- und stromtransformator
DE3309405A1 (de) Empfangsantenne fuer ultrakurze wellen
EP0472846B1 (de) HF-Verteileinrichtung
WO2001028038A1 (de) Antenne
DE102006020029A1 (de) Adaptive, kapazitive Koppelschaltung und Verfahren zur Nachrichtenübertragung über geschirmte Energiekabel eines elektrischen Energieverteilnetzes
DE102017218623A1 (de) Antennenmodul für ein RFID-Lesegerät
DE4302929C1 (de) Breitbandübertrager
DE512026C (de) Duplexsystem fuer Nachrichtenuebermittlung mittels Hochfrequenzstroeme laengs Leitungen

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 25730016

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1