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Antennenanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung
mit wenigstens einem Strahler und einem demgegenüber galvanisch bzw. kapazitiv getrennten
Metallteil, wie einem Antennenmast oder ein Abspannseil für einen Antennenmast,
das im Nahfeldbereich des Strahlers liegt und das mit Stromsperren versehen ist.
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Beispielsweise bei Antennen für Langwellen und Mittelwellen tritt
das Problem auf, einen auf der Erdoberfläche senkrecht stehenden Mast, der den eigentlichen
Strahler bildet und eine Höhe bis zu mehreren hundert Metern haben kann, durch Abspannungen
in seiner vertikalen Lage zu halten. Diese Abspannungen müssen aus Festigkeitsgründen
durch Stahlseile gebildet werden und stören dann das Strahlungsdiagramm des Antennenmastes.
Zur Beseitigung dieser Nachteile wird daher in die Abspannseile eine Reihe von zugfesten
Isolatoren eingeschaltet, die jedes Abspannseil derart in Längsrichtung unterteilen,
daß innerhalb der Abspannseile Resonanzen nicht mehr auftreten können. Diese Anordnung
hat den Nachteil, daß die Festigkeit der Abspannungen im wesentlichen durch die
Isolatoren bestimmt wird und deren von der Witterung abhängige Isolationseigenschaften
auch die Güte der Entkopplung beeinflussen. Eine Abart dieser Entkopplung der Abspannseile
von dem eigentlichen Strahler ist noch in der Weise üblich, daß die durch die Unterteilung
gebildeten Abschnitte des einzelnen Abspannseiles über ohmsche Widerstände derartigen
Wertes miteinander verbunden werden, daß Resonanzen nicht mehr störend in Erscheinung
treten. Diese Art der Entkopplung verursacht indes einen starken Energieverbrauch.
Werden derartige Antennen im Bereich kürzerer Wellen betrieben, so zeigt sich, daß
die Unterteilung der Abspannungen nur mehr unzureichend wirksam ist, was vor allem
darauf beruht, daß die Kapazitäten zwischen benachbarten Enden von Teilstücken eines
Abspannseiles bemerkbar in Erscheinung treten. Ähnliche Probleme sind dann gegeben,
wenn beispielsweise vor einer Richtantenne ein Antennenmast aus Metall angeordnet
wird oder wenn ein metallischer Antennenmast als Träger einer Rundstrahlantenne
verwendet wird.
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Durch die deutsche Patentschrift 886 770 ist bereits eine Einrichtung
zur Wellenunterdrückung auf einem Hochfrequenzleiter bekanntgeworden, bei der im
Zuge eines Antennenmastes ein speziell ausgebildeter Sperrtopf in besonderer Weise
an dem Antennenmast angebracht ist. Bei dieser bekannten Anordnung liegt jedoch
eine zum Erfindungsgegenstand andersartige Problemstellung vor. Die gleichen Überlegungen
lassen sich auch auf die deutsche Patentschrift 718 695 anwenden, durch die eine
Einrichtung zur Vermeidung störender Mantelwellen auf der Außenseite einer abgeschirmten
Antennenzuleitung bekanntgeworden ist. Durch die französische Patentschrift
1182 113 sind ferner Antennenanoidnungen bekanntgeworden, für die es wesentlich
ist, im Zuge des Antennenmastes resonanzfähige Anordnungen einzuschalten, die als
Parallel- bzw. Serienresonanzkreise wirken und die derart aufgebaut sind, daß sich
eine Filterwirkung ergibt.
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Auf das Problem der Strahlungskopplung wird beispielsweise eingegangen
im »ARRL Antenna Book«, insbesondere S. 92 und 93. Es wird dort lediglich angegeben,
daß die Kopplung zwischen einer Antenne und einem Leiter im Antennenfeld dann zu
Null wird, wenn der Leiter symmetrisch zur Antenne angeordnet ist, da sich dann
die im Leiter induzierten Spannungen wegen der symmetrischen Anordnung zur Antenne
gegenseitig auslöschen. Eine in Richtung des Erfindungsgegenstandes gehende Lösung
läßt sich dieser Literaturstelle nicht entnehmen. Ferner ist es durch die »Zeitschrift
für angewandte Physik«, 1953, S. 2211f., bekannt, Gitter als Schaltelemente
elektrischer Wellen im Raum zu verwenden, wobei die einzelnen Gitterstäbe mit kurzgeschlossenen
koaxialen Leitungsstücken beschaltet sind. Bei dieser bekannten Anordnung handelt
es sich jedoch um die Ausbreitung einer ebenen Welle im Raum und deren Beeinflussung
durch eine gegen die Wellenlänge große Gitteranordnung. Rückwirkungen auf eine anregende
Antenne werden in dieser Arbeit nicht behandelt. Ferner wird für die Funktion und
die Bemessung der Gitter vom sogenannten Flächenwiderstand ausgegangen, in dem der
Abstand der parallelen Drähte, die sogenannte Gitterkonstante, als wesentliche Größe
enthalten ist.
Darüber hinaus ist es wesentlich, daß das Gitter
im Fernfeld einer Antenne angeordnet ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei insbesondere
für kurze und ultrakurze Wellen ausgebildeten Antennenanordnungen, bei denen ein
metallisches Teil im Nahfeld der Antenne liegt und somit mit der Antenne strahlungsgekoppelt
ist, die durch dieses metallische Teil verursachte Störung im Antennendiagramm möglichst
weitgehend zu beseitigen. Darüber hinaus soll sichergestellt werden, daß eine Unterbrechung
und damit eine Schwächung des als Antennenmast oder als Abspannseil dienenden metallischen
Teiles nach Möglichkeit vermieden wird.
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Ausgehend von einer Antennenanordnung mit wenigstens einem Strahler
und einem demgegenüber galvanisch bzw. kapazitiv getrennten Metallteil, wie einem
Antennenmast oder ein Abspannseil für einen Antennenmast, das im Nahfeldbereich
des Strahlers liegt und das mit Stromsperren versehen ist, wird diese Aufgabe gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß das vom Strahler getrennte Metallteil mittels
mehrerer im gegenseitigen elektrischen Abstand von 2 H angeordneter Stromsperren
vom Impedanzwert R=j-Zs#tgkh für die Betriebswellen gegenüber dem Strahler entkoppelt
ist, daß der Impedanzwert R derart groß gewählt ist, daß die einzelnen Stromsperren
zumindest näherungsweise gegeneinander entkoppelt sind, und daß die Stromsperren
folgender Dimensionierung genügen:
Zs = Wellenwiderstand der als Stromsperre dienenden Kurzschlußleitung; ZA = Wellenwiderstand
der durch die Stromsperre gebildeten, verlängerten Empfangsantenne; h = elektrische
Länge der Kurzschlußleitung;
Betriebswellenlänge. Es ist an sich bekannt, sogenannte
bei Antennen-Anordnungen zu verwenden. So dient beispielsweise der bekannte am Außenmantel
eines Koaxialkabels
zur Unterdrückung des dort zurückfließenden Stromes. Ein wesentlicher Unterschied
zum Erfindungsgegenstand liegt hierbei jedoch insofern vor; als bei einem Koaxialkabel,
das in eine unsymmetrische Antenne ausläuft, der Außenmantel sozusagen den zweiten
Strahler oder das Gegengewicht zu der unsymmetrischen Antenne bildet. Beim. Erfindungsgegenstand
handelt es sich demgegenüber um die Entkopplung eines Metallgebildes gegenüber dem
Strahlungsfeld eines Antennenstrahlers, wobei dieses Metallgebilde lediglich im
Strahlungsfeld des- Strahlers liegt, .also nicht als Gegengewicht im üblichen Sinne
dient. Es ist weiterhin auch bekannt, mittels
die wirksame Länge von Antennen zu ändern. Auch hier stellt die
einen wesentlichen Teil des Gegengewichts der Antenne - im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand
- dar. Außerdem wird die
in abgewandelter Form noch als Umwegleitung zur gleichphasigen Speisung von
langen Antennenelementen verwendet.
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Beim Erfindungsgegenstand wird von folgenden Überlegungen ausgegangen:
Befindet sich, so wie in der F i g.1 gezeigt, beispielsweise ein Dipol 1 vor einem
Antennenmast 2 - die F i g.1 zeigt eine Aufsicht auf die Gesamtanordnungso ergibt
sich bei einem Abstand von etwa
zwischen dem Mast und dem Dipol ein Strahlungsdiagramm, das der Form der in der
F i g. 1 eingezeichneten Kardioide entspricht (.1= Betriebswellenlänge). Der starke
Einbruch auf der dem Dipol abgewandten Seite des Mastes ist durch die Strahlungskopplung
zwischen dem Mast und dem Dipol verursacht. Um diese Störungen auf das Strahlungsdiagramm
und den Eingangswiderstand der beispielsweise aus einem Dipol bestehenden Antenne
zu verringern, müssen die induzierten Ströme im strahlungsgekoppelten langen Leiter,
das ist im vorliegenden Fall der Antennenmast, weitgehend unterdrückt werden. Diese
Unterdrückung geschieht, wie bereits erläutert, erfindungsgemäß durch eine Kette
von Stromsperren in dem strahlungsgekoppelten langen Leiter, die aus beispielsweise
etwa widerstand bestehen. Eine vorteilhafte Ausführungslangen Kurzschlußleitungen
mit hohem Eingangsform hierfür zeigt die F i g. 2, in der wiederum der Dipol 1 und
der Antennenmast 2 sichtbar sind. An dem Antennenmast 2 sind, diesen umgebend, mehrere
3 in Form von Töpfen vorgesehen, die am einen Ende offen und am anderen Ende mit
dem Mast leitend verbunden sind. Die Länge der Töpfe beträgt etwa eine Viertelwellenlänge.
Man erhält auf diese Weise eine Reihe von Sperrleitungen, die in geringen gegenseitigen
Abständen in den langen Leiter, das ist beim Ausführungsbeispiel der Antennenmast,
eingeschaltet sind. Es gelingt hierdurch bzw. durch entsprechende Abstimmung dieser
Sperrleitungen, die einzelnen Elemente des so unterteilten langen Leiters stark
gegenüber der Betriebsfrequenz des Dipols zu verstimmen. Die Sperrleitungen können
alle in derselben Richtung auf dem Leiter angeordnet werden. Da es sich aber empfiehlt,
die maximal angestrahlten Zonen des Mastes besonders eng mit Sperren zu belegen,
ist in der F i g. 2 eine gegen die Mitte symmetrisch aufgebaute Anordnung gewählt.
In der Mitte der Anordnung ist zur Sicherstellung gleichartiger elektrischer Verhältnisse
auch für die Töpfe, die unmittelbar der Mitte benachbart sind, ein metallischer
Ring 4 vorgesehen. Auch sind größere Abstände der Sperren entlang des Leiters möglich,
jedoch ist dann deren Abstimmung unterschiedlich und die Bandbreite ist geringer.
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Man kann, wie in F i g. 3 dargestellt, die in regelmäßigen elektrischen
Abständen 2H in den langen Leiter eingeschalteten Impedanzen R als einen Kettenleiter
betrachten, auf dem eine zu diesem parallelpolarisierte elektromagnetische Welle
auftritt Das Feld E erregt in den Leiterelementen einen Strom i, dessen Amplitudenverteilung
und Phase von. der Impedanz R, dem elektrischen Abstand 2H und dem
Durchmesser
2,o abhängig ist. Bei einem großen Wert für die Impedanz R wird die Verkopplung
mit den Nachbarelementen verhältnismäßig klein, und das Einzelelement besteht dann
in erster Näherung aus einer im Punkt x = 0 kurzgeschlossenen Empfangsantenne mit
den Belastungen 2 an den beiden Enden x = ±H. Bestehen die eingeschalteten Impedanzen
aus verlustlosen Kurzschlußleitungen der elektrischen Länge h und dem Wellenwiderstand
Zs, dann ist R=j-Zs-tgkh mit
und das Einzelelement kann als eine um eine elektrische Länge 2H7, verlängerte Empfangsantenne
betrachtet werden. Ist ZA der Wellenwiderstand der verlängerten Empfangsantenne
und wird diese als offene Leitung aufgefaßt, so ergibt sich die Verlängerung Hv
aus der Beziehung
Die Strahlungs- und Verlustwiderstände sind vernachlässigt und der relative Stromverlauf
auf der Empfangsantenne ist angenähert
Da die elektrische Länge H des Leiterelementes nicht groß sein soll, wird ein minimaler
Strom entlang dem Element dann fließen, wenn im Zentrum x = 0 ein Stromknoten sich
ausbildet. Das bedeutet einen maximalen Widerstand im Zentrum und einen Rückgang
der reflektierten Feldstärke..
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Die günstigste Abstimmung der Kurzschlußleitung ergibt sich damit
zu
In der F i g. 4 ist die normierte elektrische Länge der Kurzschlußleitung
als Funktion von der normierten elektrischen Länge
des Leiterelementes mit
(Quotient aus dem Wellenwiderstand der als Stromsperre dienenden Kurzschlußleitung
und dem Wellenwiderstand der durch die Stromsperre gebildeten verlängerten Empfangsantenne)
als Parameter angegeben. Mit zunehmender normierter elektrischer Länge
des Leiterelementes bzw. mit zunehmendem Wert des Quotienten
- muß daher die Sperrleitung verkürzt werden.
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Für die Wirksamkeit ist aber auch der absolute Wert der einzelnen
Impedanz R wichtig. Er muß genügend groß sein, um eine angenäherte Entkopplung der
Elemente und eine geeignete Verstimmung des Antennenwiderstandes zu gewährleisten.
Für eine große elektrische Länge H des Leiterelementes ist dies nur mit einem großen
Wellenwiderstand ZS der Kurzschlußleitung möglich, der in der Praxis schwer zu erreichen
ist.
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Für eine sehr kleine elektrische Länge H des Leiterelementes ist die
elektrische Länge h der Kurzschlußleitung
und die Kurzschlußleitung ist in Resonanz. Der Widerstand erreicht seinen maximalen
Wert
wenn Q die Kreisgüte der Kurzschlußleitung ist. Ohne dielektrische Verluste wird
bei einer Frequenz f (in Hertz) für ein koaxiales Leitungsstück mit dem Innenleiterdurchmesser
d und dem Außenleiterdurchmesser D (in Zentimeter) der reelle Resonanzwiderstand
erhalten. Diese Beziehung gilt für Messing und angenähert auch für Zink, für Kupfer
und Silber ist Rres etwa doppelt so groß, für Stahl dagegen beträgt Rres etwa den
dritten Teil des sich aus der vorstehenden Gleichung ergebenden Wertes. Solange
das Durchmesserverhältnis
einer Koaxialleitung noch nennenswert über 1 liegt, wird der Resonanzwiderstand
in allen Fällen genügend groß, und eng gesetzte Sperren werden den induzierten Strom
weitgehend unterdrücken.
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Der Einbau der Kurzschlußleitungen kann auf verschiedene Weise geschehen.
Drei prinzipielle Anordnungen der Sperren sind in den F i g. 5, 6, 7 gezeigt.
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Bei der Anordnung nach der F i g. 5 ist der lange Leiter entsprechend
gebogen, so daß Stücke aus kurzgeschlossenen Paralleldrahtleitungen entstehen. Die
F i g. 6 zeigt einen durchgehenden geraden Leiter, auf dem Metallhülsen aufgesetzt
und an einem Ende leitend damit verbunden sind. Es entstehen koaxiale Sperrleitungen,
die in Serie eingeschaltet sind. Die angegebenen Abstände h und
H sind etwas von den elektrisch wirksamen Längen verschieden. Wegen des unsymmetrischen
Aufbaues, der Durchmesseränderungen usw. ist der Feldverlauf an den Einschaltestellen
der Sperren nicht homogen. In der F i g. 7 sind die Metallhülsen durch je vier Drähte
ersetzt, welche zur Erhöhung des Wellenwiderstandes der Sperren aufgebogen sind.
Bei z.B. vier Drähten beträgt vorteilhaft der Winkel ß etwa 30 bis 40° bei
von etwa 0,28.
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In den F i g. 8, 9 und 10 sind noch einige einfache Abstimmanordnungen
für koaxiale Sperrleitungen angegeben. Mit einer verschiebbaren Metallhülse 5 (F
i g. 8) kann die wirksame Leitungslänge h verändert werden. Der gleiche Effekt wird
durch die Verkürzungskapazität eines beweglichen Metallringes 6 (F i g. 9) oder
durch eine verschiebbare dielektrische Scheibe 7 (F i g. 10) erreicht. An dieser
Stelle könnte eventuell zur Erhöhung der Bandbreite ein Ohmscher Belastungswiderstand
hinzugefügt werden. Durch eine dielektrische Füllung mit großer Dielektrizitätskonstante
ist auch eine wesentliche Verkürzung der Sperren möglich. Um auch in diesem Fall
einen hohen
Wellenwiderstand zu erreichen, ist der Innenleiter oder
der Topf als Wendel auszubilden. Bei einem Rohrmast ist es möglich, die Sperrleitung
in das Innere des Mastes zu setzen und sie mittels geeignet verteilter und dimensionierter
Schlitze oder Koppelschleifen anzuregen.
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In gleicher Weise wie bei einem Antennenmast kann die erfindungsgemäße
Entkopplungsart mit Vorteil auch bei Abspannseilen angewendet werden.