DE10040794A1 - Schleifen-Dipol bzw. -Monopol - Google Patents

Abstract

Bei einem Schleifen-Dipol bzw. -Monopol sind die Strahler gegenüber ihrer Soll-Länge stark verkürzt und an ihren Enden durch nichtstrahlende Leitungsstücke elektrisch verlängert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schleifen-Dipol (Faltdipol) bzw. Schleifenmonopol.

Ein Schleifen- bzw. Faltdipol besteht aus zwei dicht benachbarten Lambda/2-Dipolen, die an den Enden verbunden sind, von denen aber nur einer gespeist wird. Auf den Dipolen stellt sich die gleiche Stromrichtung ein. Beide Dipole unterstützen sich in ihrer Wirkung. Durch unterschiedliche Dicken der beiden Dipole kann über transformatorische Effekte die Eingangsimpedanz beeinflußt werden. Nach dem gleichen physikalischen Prinzip wirkt ein sogenannter Schleifenmonopol, der als halber Schleifendipol auf einer leitenden Ebene aufgefaßt werden kann und aus zwei Lambda/4 langen Dipolen besteht, die wiederum dicht benachbart angeordnet und am oberen Ende miteinander verbunden sind. Solche Schleifendipole bzw. Schleifenmonopole auf leitender Ebene werden als Sende- und Empfangsantennen im Kurz- und Ultrakurzwellenbereich in verschiedenen Ausführungsformen benutzt.

Beim Amateur- und auch Militärfunk wird auch im sogenannten Grenzwellenbereich Funkbetrieb durchgeführt. Die tiefste nutzbare Frequenz liegt bei etwa 1,5 MHz, was einer Wellenlänge von knapp 200 Metern entspricht. Eine gebräuchliche Lambda/2-Antenne hätte demzufolge eine Länge von etwa 100 Metern, deren Realisierung als horizontale oder vertikale Antenne erheblichen mechanischen Aufwand bedeutet. Es ist bekannt, solche Antennen gegenüber ihrer Soll-Länge mechanisch zu verkürzen und den damit verbundenen Nachteil an Effizienz durch geeignete Maßnahmen wie Dachkapazitäten und/oder Serieninduktivitäten auszugleichen, auch diese bekannte Lösungen erfordern vor allem bei einer Antenne im Mehrbandbetrieb weiterhin einen erheblichen Aufwand.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Schleifendipol (Faltdipol) bzw. Schleifenmonopol zu schaffen, der trotz starker Verkürzung auf beispielsweise nur 5 bis 10% der Betriebswellenlänge einen ausreichend großen Strahlungswiderstand von mehr als 10 Ohm aufweist und zwar ohne Verwendung von diskreten Transformationselementen wie Dachkapazitäten oder Induktivitäten.

Diese Aufgabe wird für einen Schleifendipol bzw. Schleifenmonopol durch die Maßnahmen nach den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäßer Schleifendipol bzw. Schleifenmonopol kann extrem verkürzt werden, beispielsweise auf nur 5 bis 6% der Betriebswellenlänge bei der tiefsten Betriebsfrequenz, so daß die mechanische Länge eines Schleifendipols für eine Betriebsfrequenz von 1,5 MHz nur eine mechanische Länge von 10 bis 12 Metern beträgt. Trotzdem ist der Strahlungswiderstand noch ausreichend groß und größer als 10 Ohm. Damit besitzt ein solcher erfindungsgemäßer Schleifendipol nahezu gleichgute Eigenschaften wie ein üblicher Lambda/2-Dipol. Versuche haben gezeigt, daß auch der Wirkungsgrad des strahlenden Antennenteiles einer erfindungsgemäßen Antenne ohne Verluste von Anpassungselementen und Erdverlusten bei 1,8 MHz mehr als 50% und bei 3,6 MHz mehr als 80% beträgt, also auch diesbezüglich gleichgute Eigenschaften wie bei einem Lambda/2-Dipol erreicht werden. Trotzdem kann der erfindungsgemäße Schleifendipol bzw. Schleifenmonopol sehr einfach und preiswert aufgebaut werden, da an den Enden nur ein nichtstrahlendes Leitungsstück entsprechender Länge angesetzt wird. Geometrisch komplizierte Dachkapazitäten in Form von ausgespannten Drähten bzw. komplizierte Verkürzungsspulen im Dipol werden vermieden. Die Verwendung eines nichtstrahlenden Leitungsstückes zur Kompensation der Strahlerverkürzung ist auch wegen der geringen Verluste solcher Leistungsstücke besonders vorteilhaft. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich vor allem auch zum Aufbau von Mehrband-Antennen, die auf einfache Weise in der Frequenz umgeschaltet werden können. Eine erfindungsgemäßer vertikaler Dipol kann wegen seiner geringen Länge auch noch bei relativ tiefen Frequenzen eine flache Abstrahlung erzeugen. Dabei ist die Feldstärke der Antenne im Nahfeld nach unten relativ gering, so daß die strengen Bestimmungen für den Betrieb solcher Senderantennen einfach erfüllt werden können.

Das erfindungsgemäße Prinzip kann bei allen üblichen bekannten Formen von Schleifendipolen und Schleifenmonopolen angewendet werden, sowohl bei strahlenden einfachen Dipolen als auch bei Reflektoren bzw. Direktoren von komplexeren Antennenanordnungen, ebenso bei logarithmisch-periodischen Antennen, die mit solchen Schleifendipolen bzw. Schleifenmonopolen aufgebaut sind. Auch vorhandene Antennen können nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ergänzt bzw. mit geringem Aufwand umgebaut werden. Da die den nichtstrahlenden Leitungsstücken zugeordneten Umschalteinrichtungen auf einfache Weise fernbedienbar sind, kann eine aus mehreren Schleifendipolen bestehende Antenne nicht nur auf optimalen Strahlungswiderstand, sondern auch auf optimalen Reflexionsfaktor bzw. Direktionsfaktor abgestimmt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Schleifendipol, der als Horizontalstrahler betrieben ist. Er besteht aus zwei gegenüber der Soll-Länge Lambda/2 stark verkürzten parallelen Dipolstrahlern 1 und 2, die im geringen Abstand von kleiner Lambda/20 parallel nebeneinander angeordnet sind und von denen nur der eine Dipolstrahler 1 in der Mitte gespeist ist. Die mechanische Länge L dieser beiden Dipolstrahler 1, 2 beträgt beispielsweise nur 6% der Betriebswellenlänge Lambda, für die untere Grenzfrequenz von 1,5 MHz des Grenzwellenbereiches bedeutet dies eine mechanische Länge von nur L = 12 Meter. An den beiden Enden dieser Dipolstrahler 1, 2 ist jeweils ein nichtstrahlendes Leitungsstück angeschaltet und zwar entweder in Form einer Paralleldraht-Luftleitung 3, wie dies für das rechte Dipolende dargestellt ist, oder in Form eines unsymmetrischen Koaxialkabels 4, wie dies am linken Ende des Dipols dargestellt ist. Die Länge Lx dieses nichtstrahlenden Leitungsstückes 3 bzw. 4 ist so gewählt, daß unter Berücksichtigung des dem Leitungsstück zugehörigen Verkürzungsfaktors (abhängig vom Dielektrikum der Leitung 3 bzw. des Koaxialkabels 4) der Schleifendipol insgesamt wieder seine Soll-Länge von Lambda/2 erreicht. Durch dieses nichtstrahlende Leitungsstück an den Enden der stark verkürzten Dipolstrahler 1, 2 wird der Strahlungswiderstand gegenüber dem unverlängerten Dipol beträchtlich erhöht und so der ungünstige Rahmenantenneneffekt vermieden, so daß trotz starker Verkürzung des strahlenden Antennenteiles ein nahezu gleichhoher Wirkungsgrad wie bei einem Lambda/2-Dipol erreicht wird und dies bei eine problemlosen Strahlungswiderstand in der Größenordnung der Impedanz der Quelle bzw. des Verbrauchers.

Das gleiche Prinzip kann gemäß Fig. 2 auch bei sogenannten Schleifenmonopolen angewendet werden, die aus zwei gegenüber der Soll-Länge von Lambda/4 stark verkürzten parallelen Monopolen 5 und 6 bestehen und auf einer leitenden Ebene 7 angeordnet sind. Sie stellen die eine Hälfte eines Schleifendipols dar, der an der leitenden Ebene 7 gespiegelt wird. Auch hier sind die Monopolstrahler 5, 6 gegenüber der Wellenlänge stark verkürzt und werden durch ein an den oberen Enden angeschaltetes nichtstrahlendes Leitungsstück 8 elektrisch verlängert, wie dies in Fig. 2 wieder durch ein Koaxialkabel angedeutet ist.

Die nichtstrahlenden Leitungsstücke 3, 4 und 8 können mechanisch in einem kleinen Gehäuse 30 untergebracht werden, das gemäß Fig. 5 an den Dipolenden oder in der Dipolmitte angebracht ist. Nachdem bei solchen Schleifendipolen bzw. Schleifenmonopolen aus transformatorischen Gründen meist sowieso einer der Strahler als Hohlrohr ausgebildet ist, kann das zusätzliche nichtstrahlende Leitungsstück auch einfach in diesem Hohlrohr untergebracht werden. Bei höheren Frequenzen, die einen Kurzschluß innerhalb des Hohlrohres erfordern, wird das innerhalb des Hohlrohres untergebrachte, nichtstrahlende Leitungsstück über eine zusätzliche Verlängerungsleitung mit der außerhalb des Hohlrohres angebrachten eigentlichen Schalteinrichtung verbunden, diese Verlängerungsleitung ist entweder Lambda/2 oder Lambda bzw. einem Vielfachen von Lambda lang. Damit kann das eigentliche Schalten beispielsweise in dem zentralen Gehäuse 30 durchgeführt werden, während das nichtstrahlende Leitungsstück im Hohlrohr angebracht ist. In manchen Fällen, vor allem bei Verwendung von Luftleitungen, kann eine zusätzliche Abschirmung der nichtstrahlenden Leitungsstücke vorteilhaft sein.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Schleifendipol, der auf mehrere Frequenzbereiche umschaltbar ist. Über eine geeignete Umschalteinrichtung können an den Enden des Schleifendipols unterschiedlich lange nichtstrahlende Leitungsstücke angeschaltet werden. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 geschieht dies durch Relaisumschalter 10 und 11, die in vorbestimmten Abständen in das nichtstrahlende und in diesem Ausführungsbeispiel als Zweidrahtleitung dargestellte Leitungsstück eingeschaltet sind. Dieses Leitungsstück besteht im Ausführungsbeispiel aus drei Leitungsstücken der Länge L1, L2 und L3. Wenn beide Schalter 10 und 11 die in der Fig. 3 dargestellte Schaltstellung a einnehmen, ist nur das Leitungsstück L1 an den strahlenden Teil 1, 2 des Schleifendipols angeschaltet, was einer Betriebsfrequenz f1 entspricht. Wenn der Schalter 10 die Schaltstellung b einnimmt, wird zusätzlich noch das Leitungsstück L2 zugeschaltet, was einer Betriebsfrequenz f2 entspricht. Wenn schließlich auch noch der Schalter 11 die andere Schaltstellung b einnimmt, wird auch noch das Leitungsstück L3 zugeschaltet, was der tiefsten Betriebsfrequenz f3 entspricht.

Fig. 4 zeigt eine andere Möglichkeit für eine solche Frequenzumschaltung der Antenne, die Relaisschalter sind in diesem Ausführungsbeispiel durch Filterschaltungen 13 und 14 ersetzt, die aus einem Serienresonanzkreis und zwei Parallelresonanzkreisen bestehen und die auf die entsprechenden Betriebsfrequenzen f1 und f2 abgestimmt sind. Damit ist ohne Umschaltung ein automatischer Mehrbandbetrieb einer solchen Antenne möglich.

Die Anordnung nach Fig. 3 mit Relaisschaltern eignet sich für Sendeantennen hoher Leistung mit mehr als 100 Watt, die Anordnung nach Fig. 4 mit Resonanzkreisen ist für mittlere Leistungen bis 100 Watt geeignet. Auch eine Kombination von mechanischen Schaltern und Filterschaltungen kann in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft sein.

Durch eine binäre Stufung der unterschiedlich langen Leitungsstücke L1, L2 und L3 kann eine quasikontinuierliche Durchstimmung erreicht werden, indem das erste Leitungsstück L1 beispielsweise 2⁰ = 1 Einheit, das zweite Leitungsstück L2 2¹ = 2 Einheiten, das dritte Leitungsstück L3 2² = 4 Einheiten usw. lang gewählt wird, so daß damit alle möglichen Längen eingestellt werden können. Dabei ist es vorteilhaft, die Abstimmschrittweite in Relation zur VSWR (Stehwellenverhältnis)-Bandbreite zu bringen, also beispielsweise im Grenzwellenbereich für ein VSWR kleiner 2 eine Schrittweite von 50 bis 100 kHz zu wählen. Auch eine Kombination von bandabhängig geschalteten Leitungsstücken und quasikontinuierlich geschalteten Leitungsstücken kann in manchen Anwendungsfällen sinnvoll sein.

Um den meist zu niederohmigen reellen Strahlungswiderstand der Antenne besser an die Impedanz der Quelle bzw. des Verbrauchers anzupassen, kann es vorteilhaft sein, den gespeisten Teil 1 bzw. 5 des Schleifendipols nach Fig. 1 bzw. des Schleifenmonopols nach Fig. 2 aus mehreren parallelen Strahlern aufzubauen, die mit Hilfe einer Relais- Schaltmatrix dann so umgeschaltet werden können, daß das Transformationsverhältnis in diskreten Stufen über einen weiten Bereich geändert und an die Quelle bzw. den Verbraucher angepaßt werden kann. Bei Verwendung von beispielsweise 3 solchen parallelen Strahlern kann durch entsprechendes Umschalten das Transformationsverhältnis zwischen 1 : 4 über 1 : 9 bis 1 : 16 umgeschaltet werden.

Zur Anpassung eines erfindungsgemäßen Schleifendipols am Speisepunkt an ein zum Sender bzw. Empfänger führendes Speisekabel können handelsübliche Antennenanpaßgeräte benutzt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich bei Mehrbandbetrieb erwiesen, hierfür eine Anpaßschaltung nach Fig. 5 zu benutzen, die aus zwei in Kaskade geschalteten 1 : 4-Übertragern 20, 21 besteht, deren Anzapfungen jeweils über Serienresonanzkreise 22 bis 25 mit den Speisepunkten 26, 27 des Schleifendipols verbunden sind. Die Nennresonanzfrequenz dieser Serienresonanzkreise 22 bis 25 entspricht jeweils der Mitte der Nutzbänder, auf welche der Schleifendipol umschaltbar sein soll. Über einen Symmetrierübertrager 28 (Balun) sind die Übertrager 20, 21 mit dem Speisekabel 29 verbunden. Die Impedanz der Übertrager an den jeweiligen Anzapfungen ist entsprechend dem Realteil des Strahlungswiderstandes gewählt, für die erste Anzapfung, die über den Serienresonanzkreis 22 mit dem Dipol verbunden ist, ist dieser Realteil beispielsweise 12,5 Ohm, für die zweite Anzapfung 50 Ohm, für die dritte Anzapfung 100 Ohm und für die Gesamtkaskade der beiden Übertrager 200 Ohm. Der Imaginärteil der Antennenimpedanz wird durch eine geringe Verstimmung der Serienkreise 22 bis 25 kompensiert. Auf diese Weise läßt sich ein gewünschtes VSWR von kleiner 2 einhalten.

Claims (17)

1. Schleifendipol-Anordnung mit zwei gegenüber der Soll-Länge (Lambda/2) stark verkürzten Dipolstrahlern (1, 2), die an ihren beiden Enden durch ein nichtstrahlendes Leitungsstück (3, 4) elektrisch verlängert sind.

2. Schleifenmonopol-Anordnung auf leitender Ebene mit zwei gegenüber der Soll-Länge (Lambda/4) stark verkürzten Monopolstrahlern (5, 6), die an ihren von der leitenden Ebene (7) abgewandten Enden durch ein nichtstrahlendes Leitungsstück (8) elektrisch verlängert sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Dipol- bzw. Monopol-Strahler (1, 2; 5, 6) jeweils nur 5 bis 10%, vorzugsweise nur 6% der Wellenlänge (Lambda) der tiefsten Betriebsfrequenz gewählt ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstrahlende Leitungsstück (3, 4, 8) in einer elektromagnetischen Abschirmung untergebracht ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstrahlende Leitungsstück eine am Ende kurzgeschlossene Paralleldrahtleitung (3) ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstrahlende Leitungsstück ein am Ende kurzgeschlossenes Koaxialkabel (4, 8) ist, dessen Innenleiter mit dem einen (1 bzw. 5) und dessen Außenleiter mit dem anderen (2 bzw. 6) Dipol- bzw. Monopol-Strahler verbunden ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstrahlende Leitungsstück (3, 4, 8) auf zwei oder mehr unterschiedliche Längen (L1, L2, L3) umschaltbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenumschaltung mittels dem Leitungsstück zugeordneter Relaisschalter (10, 11) erfolgt.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenumschaltung mittels zwischengeschalteter auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmter Filterschaltungen (13, 14) erfolgt.

10. Anordnung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der unterschiedlich langen Leitungsstücke (L1, L2, L3) binär abgestuft sind.

11. Anordnung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmschrittweite der Leitungsstücke entsprechend der gewünschten Stehwellenverhältnis-Bandbreite der Antenne gewählt ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Sende- und/oder Empfangs-Antenne, Reflektor oder Direktor benutzt wird.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenschalteinrichtung in einem am Dipol bzw. Monopol angebrachten Gehäuse (30) eingebaut sind.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Dipol- bzw. Monopol-Strahler als Hohlrohr ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtstrahlende Leitungsstück in dem Hohlrohr untergebracht ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das im Hohlrohr untergebrachte nichtstrahlende Leitungsstück über eine Lambda/2- bzw. n × Lambda-lange Verlängerungsleitung mit der Längenschalteinrichtung verbunden ist.

16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, gekennzeichnet durch eine Anpaßschaltung mit einem Übertrager (20, 21), der mehrere Anzapfungen aufweist, die jeweils über Serienresonanzkreise (22 bis 25) mit den Anschlüssen (26, 27) des Dipols bzw. Monopols verbunden sind und deren Resonanzfrequenzen entsprechend den aufeinanderfolgenden Nutzbändern gewählt sind und die außerdem so bemessen sind, daß der Imaginärteil der jeweils wirksamen Dipol- bzw. Monopol-Impedanz kompensiert wird.

17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gespeiste Dipol- bzw. Monopol-Strahler (1) bzw. (5) aus mehreren parallelen Strahlern besteht und das Transformationsverhältnis am Speisepunkt über eine diesen parallelen Strahlern zugeordnete Schalteinrichtung umschaltbar ist.