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Dokumentenidentifikation DE3312638C2 15.02.1990
Titel Antenne mit elektrisch verkürztem Linearstrahler
Anmelder Rohde & Schwarz GmbH & Co KG, 8000 München, DE
Erfinder Demmel, Franz, 8044 Lohhof, DE;
Steghafner, Herbert, Dipl.-Ing., 8391 Tiefenbach, DE
Vertreter Graf, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 08.04.1983
DE-Aktenzeichen 3312638
Offenlegungstag 18.10.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.02.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.1990
IPC-Hauptklasse H01Q 9/06
IPC-Nebenklasse H01Q 9/16   
Zusammenfassung Um bei einer Antenne den schlanken Linearstrahler elektrisch zu verkürzen, wird in Längsrichtung des Strahlers an einer vorbestimmten Stelle mindestens ein Ferritring angebracht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Antenne laut Oberbegriff des Patentanspruches.

Die Stromverteilung auf dem schlanken Linearstrahler einer Antenne bestimmt bekanntlich das Strahlungsdiagramm und die Eingangsimpedanz einer Antenne (s. beispielsweise Meinke/Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 1956, Abbild. 17.7 auf Seite 390). Ein solcher schlanker Linearstrahler (Dipol oder Monopol) besitzt bei der untersten Frequenz des Betriebsfrequenzbandes, bei der seine elektrische Länge λ/4 oder kürzer ist, ein relativ gleichmäßiges Strahlungsdiagramm, mit zunehmender Betriebsfrequenz treten immer mehr Aufzipfelungen des Diagramms auf, da mit zunehmender Frequenz auch die Stromverteilung auf dem Linearstrahler sich ändert und bei der doppelten Frequenz der Linearstrahler eine elektrische Länge von λ/2, bei der vierfachen Frequenz sogar eine elektrische Länge von λ und damit auch entsprechende Stromverteilungen mit einem oder mehreren längs des Linearstrahlers verteilten Strommaxima besitzt. Die frequenzabhängige Stromverteilung auf dem Linearstrahler bedeutet also auch eine entsprechende Frequenzabhängigkeit des Strahlungsdiagramms und der Eingangsimpedanz.

Um diesen störenden Einfluß zu vermeiden, ist es bekannt, den schlanken Linearstrahler der Antenne an einer oder mehreren Stellen, die sich aus den Strommaxima bei der höheren Frequenz ergeben, aufzutrennen, und dort einen Tiefpaß in Form einer Spule mit einem parallelgeschalteten Widerstand einzubauen (DD-PS 1 20 977 und 1 29 835).

Mit dieser bekannten Maßnahme wird der schlanke Linearstrahler für höhere Frequenzen elektrisch verkürzt und somit auch für höhere Frequenzen eine Stromverteilung längs des Linearstrahlers erreicht, die etwa der Stromverteilung bei der niedrigeren Frequenz des Betriebsfrequenzbandes entspricht. Die Stromverteilung wird dadurch also im wesentlichen frequenzunabhängig und damit auch das Strahlungsdiagramm und die Eingangsimpedanz.

Diese bekannte Maßnahme ist mechanisch relativ aufwendig und teuer, vor allem wenn nicht nur an einer vorbestimmten Stelle ein solches Impedanzelement in den Strahler eingebaut wird sondern wenn längs des Strahlers verteilt an mehreren Stellen solche Impedanzelemente eingebaut werden, wie dies für Antennen nötig ist, die in einem breiten Frequenzband ein möglichst frequenzunabhängiges Strahlendiagramm besitzen sollen. Die bekannte Maßnahme bringt erhebliche mechanische Probleme mit sich, da der meist als Stab oder Rohr ausgebildete Linearstrahler an der gewünschten Stelle mechanisch aufgetrennt und der Tiefpaß dort elektrisch zwischen die Strahlerhälften eingebaut werden muß. Die bekannte Maßnahme wäre auch für höhere Frequenzen schon deshalb nicht geeignet, da für höhere Frequenzen die Spulen nicht mehr als konzentrierte Bauelemente realisiert werden können.

Die elektrische Verkürzung des Linearstrahlers für höhere Frequenzen beruht darauf, daß der Tiefpaß einen kontinuierlichen Übergang zu einem vorwiegend ohmschen Impedanzanteil besitzt, für höhere Frequenzen also die ohmschen Verluste zwischen den aufgetrennten Strahlerabschnitten immer größer werden und dadurch schließlich der obere abgetrennte Strahlerabschnitt nicht mehr als Strahler wirken kann. Diese angestrebte Wirkung wird bei der bekannten Maßnahme jedoch nicht optimal erreicht, da der ohmsche Widerstandsanteil des Tiefpasses auch schon im unteren Frequenzbereich zwischen den aufgetrennten Strahlerabschnitten wirksam ist und daher in diesem unteren Frequenzbereich die Antenne in unerwünschter Weise dämpft. Die bekannte Maßnahme ist daher auch in elektrischer Hinsicht nicht optimal.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die elektrische Verkürzung eines Linearstrahlers bei einer Antenne der eingangs erwähnten Art auf einfachere und elektrisch wirksamere Weise durchzuführen, und zwar mit Mitteln, die auch noch für höhere Frequenzen auf einfache Weise realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Antenne laut Oberbegriff des Patentanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung wird nicht mehr der Strahler mechanisch aufgetrennt, sondern es wird an der Stelle, an welcher das frequenzabhängige Impedanzelement wirken soll, einfach ein Ferritring aufgeschoben, der aus einem Material besteht, das im Betriebsfrequenzbereich der Antenne die größte Änderung des Imaginärteiles seiner komplexen Permeabilität besitzt. Eine erfindungsgemäße Antenne ist damit wesentlich einfacher und billiger herstellbar. Auch in elektrischer Hinsicht ist die erfindungsgemäße Verwendung eines Ferritringes wesentlich wirkungsvoller, da ein erfindungsgemäß ausgewähltes Ferritmaterial die Eigenschaft besitzt, daß im unteren Frequenzbereich die Verluste extrem klein sind und entsprechend der Zunahme des Imaginärteils der komplexen Permeabilität zu höheren Frequenzen sprunghaft zunehmen. Bei einem bevorzugten Ferritmaterial mit den Eigenschaften nach Fig. 2 des Ausführungsbeispieles werden beispielsweise erst ab der Mitte des Betriebsfrequenzbereiches die Verluste sprunghaft größer und bewirken damit bis zum Ende des Betriebsfrequenzbereiches eine wirksame Dämpfung zwischen den Strahlerabschnittten. Die erfindungsgemäße Maßnahme kann im übrigen bis zu Frequenzen von beispielsweise 1000 MHz oder mehr eingesetzt werden.

Zur elektrischen Verlängerung von Antennen ist es an sich bekannt, am Fußpunkt der Antenne einen Ferritring aufzusetzen (DE-GM 19 61 572, DE-OS 19 53 038). Hierbei wird ein Ferritmaterial benutzt, das im ganzen Betriebsfrequenzbereich einen möglichst kleinen Imaginärteil der komplexen Permeabilität und damit im ganzen Frequenzbereich einen möglichst kleinen Realteil der am Fußpunkt der Antenne wirkenden Impedanz besitzt. Ein solches Ferritmaterial wäre für den erfindungsgemäßen Zweck nicht geeignet, gemäß der Erfindung wird vielmehr ein Ferritmaterial benutzt, das im Betriebsfrequenzbereich der Antenne, also zwischen deren unterster und oberster Betriebsfrequenz, die größte Änderung dieses Imaginärteiles der komplexen Permeabilität besitzt, so daß auch der Realteil der Impedanz, die an dieser Stelle im Linearstrahler wirkt und der durch diesen Imaginärteil bestimmt wird, entsprechend stark frequenzabhängig ist. Der im Strahler wirkende Realteil steigt mit der Frequenz überproportional stark an und dadurch wird der gewünschte frequenzabhängige Einfluß auf die Stromverteilung längs des Strahlers optimal. Gemäß der Erfindung kann also durch einfaches Aufschieben von ein oder zwei oder mehreren Ferritringen auf einen schlanken Linearstrahler eine Stromverteilung in einem breiten Frequenzbereich von beispielsweise 1 : 5 oder mehr erreicht werden, die ein entsprechendes frequenzunabhängiges Strahlungsdiagramm in diesem breiten Frequenzband ermöglicht. Die Anzahl der aufgeschobenen Ferritringe richtet sich nach der gewünschten Bandbreite, für einfacherere Antennen, die nur einen Frequenzbereich von beispielsweise 1 : 3 überstreichen sollen, genügt es, im oberen Bereich des Linearstrahlers einen oder zwei Ferritringe in vorbestimmtem Abstand von dem Strahlerende anzuordnen, für Antennen, die einen größeren Frequenzbereich überstreichen sollen, werden entsprechend mehr Ferritringe aufgesetzt. Die Lage der Ferritringe längs des Strahlers bestimmt sich in bekannter Weise nach der mit steigender Frequenz zu erwartenden Strommaxima der Stromverteilung längs des Strahlers. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist für alle schlanken Linearstrahler geeignet, beispielsweise für Monopol- oder Dipol-Strahler, auch solche, die gegebenenfalls durch Dachkapazitäten elektrisch verkürzt sind. Im letzteren Fall wird der Ferritring beispielsweise unmittelbar unterhalb der Dachkapazität auf den Strahler aufgesetzt. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist außerdem sowohl für Sende- als auch für Empfangsantennen in gleicher Weise geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Dipol beispielsweise für den Frequenzbereich zwischen 100 und 1000 MHz, der aus zwei schlanken Linearstrahlern 1 und 2 besteht, die für die unterste Betriebsfrequenz (100 MHz) etwa eine elektrische Länge von λ/4 besitzen oder auch kürzer sein können. Auf diese Linearstrahler 1 und 2 sind Ferritringe 3 bis 6 aufgesetzt. Ohne aufgesetzte Ferritringe würde sich für die unterste Frequenz fu beispielsweise die links vom Strahler 1 eingezeichnete Stromverteilung f ergeben, für die vierfache Frequenz die Stromverteilung 4f. Wird nun an der Stelle x des ersten Strommaximums ein erster Ferritring 3 auf den Strahler 1 aufgesetzt, so würde sich eine Stromverteilung 4f&min; ergeben, die noch nicht optimal ist. Es wird daher in dem weiteren Strommaximum y ein weiterer Ferritring 4 angeordnet, so daß sich schließlich die Stromverteilung 4f&min;&min; ergibt, die weitgehendst mit der Stromverteilung f&min; übereinstimmt, die sich bei aufgesetzten Ferritringen 3, 4 bei der untersten Frequenz ergibt. Nach diesem Prinzip wird die Lage der Ferritringe längs des Strahlers bestimmt.

Ferrit besitzt die Eigenschaft, daß der Imaginärteil μ&min;&min; seiner komplexen Permeabilität frequenzabhängig ist und in einem vorgegebenen Frequenzbereich stark ansteigt. Fig. 2 zeigt ein typisches Diagramm der komplexen Permeabilität des Ferritmaterials in Abhängigkeit von der Frequenz, der Realteil μ&min; ist etwa linear gleichbleibend, der Imaginärteil μ&min;&min; nimmt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen 100 MHz und 1000 MHz mit der Frequenz stark zu. Diese Zusammenhänge sind beispielsweise in dem Buch von Siemens, Ferrite, Weichmagnetisches Siferrit-Material, Datenbuch 1982/83, insbesondere Seite 20 und 42, näher beschrieben. Wird nun gemäß der Erfindung gerade ein solches Ferritmaterial gewählt, das in dem gewünschten Betriebsfrequenzbereich der Antenne diese maximale Imaginärteil-Änderung besitzt, so ist auch die Frequenzabhängigkeit des Realteiles in dem Strahler 1 an der Stelle, an welcher der Ferritring aufgesetzt ist, entsprechend stark frequenzabhängig, da der Imaginärteil μ&min;&min; der komplexen Permeabilität des Ferrites für die Kernverluste maßgeblich ist und damit auch für den in den Strahler hinein transformierten Realteil. Der aufgesetzte Ferritring wirkt also an dieser Stelle des Strahlers wie eine in den Strahler eingeschaltete Impedanz, deren Realteil den gleichen frequenzabhängigen Verlauf besitzt wie der Imaginärteil μ&min;&min; des Ferrits. Darauf ist die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Ferritringe zurückzuführen, da sie bei niederen Frequenzen praktisch nicht wirksam sind und erst mit höheren Frequenzen die erwünschte Wirkung und Beeinflussung der Stromverteilung besitzen.

Die erfindungsgemäße Maßnahme ist für alle schlanken Linearstrahler geeignet, die bei der obersten Betriebsfrequenz elektrisch länger als λ/2 sind.

Die aufgesetzten Ferritringe können bei Bedarf gegebenenfalls geschlitzt sein, dies ist beispielsweise bei einer Sendeantenne von Vorteil, bei der die Hysteresisverluste so klein wie möglich gehalten werden sollen. Der Schlitz muß jedoch sehr schmal sein, da sonst nicht mehr die geforderte Konzentration des Magnetfeldes bewirkt wird. Es ist auch denkbar, über den aufgeschobenen Ferritring zusätzliche konzentrierte Impedanzwiderstände an der entsprechenden Stelle in den Strahler miteinzukoppeln, beispielsweise dadurch, daß einfach auf den Ferritring eine zusätzliche Spule aufgewickelt wird, die außen mit einem entsprechenden Impedanzelement verbunden ist. Diese Impedanz wird dann über den Ferritring in den Strahler mit eingekoppelt, auf diese Weise könnte der oben beschriebene Effekt der frequenzabhängigen Zunahme des Realteils der im Strahler wirksamen Impedanz noch verstärkt werden.

Die Ferritringe werden vorzugsweise über geeignete Halter am Strahler befestigt, die gegebenenfalls auch gleichzeitig als entsprechende Schutzabdeckungen ausgebildet sein können.


Anspruch[de]
  1. Antennne, deren schlanker Linearstrahler durch mindestens ein zwischen Längsabschnitten des Linearstrahlers wirkendes frequenzabhängiges Impedanzelement für höhere Frequenzen elektrisch verkürzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement durch einen außen auf dem ungeteilten Linearstrahler (1, 2) angebrachten Ferritring (3 bis 6) gebildet ist, der aus einem Material besteht, das im Betriebsfrequenzbereich der Antenne die größte Zunahme des Imaginärteils (μ&min;&min;) seiner komplexen Permeabilität besitzt.






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