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Beschreibung zu der Patentanmeldung Gegen Blitzeinschlag geschützte
Antennenanordnung In der Hochfrequenz-Nachrichtentechnik werden sowohl senderals
auch emprangsseitig immer mehr Antennenanordnungen verwendet, bei denen das Antennenelement
mit Schaltungen verbunden ist oder mit solchen Schaltungen unmittelbar integriert
ist, die gegen Überströme und Überspannungen sehr empfindliche Schaltelemente enthalten.
Solche Antennenanordnungen sind daher durch Blitzschlag sehr gefährdet. Sollen beispielsweise
mit Transistoren oder anderen aktiven Schaltungselementen unmittelbar integrierte
Antennen im Flugsicherungsdienst angewendet werden, so ist infolge der Blitzefahr
keine ausreichende Betriebssicherheit gewährleistet, da bekanntlich Transistoren
bereits bei sehr kleinen impulsartig zugeführten Energiemengen zerstört werden können.
Die bisher üblichen Blitzschutzeinrichtungen wie Glimm- und Funkenstrecken oder
Ableitwiderstände sind für diese Zwecke nicht geeignet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antennenanordnung dieser
Art zu schaffen, die sowohl gegen unmittelbaren als auch gegen benachbarten Blitzeinschlag
geschützt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Antennenelement
ein doppelt oder mehrfach gefalteter Dipol oder Monopol bestehend aus zwei oder
mehreren symmetrisch zu einem mittleren Speiseleiter gefalteten Leitern verwendet
wind und in den zur angasenlossenen Schaltung führenden Speis @it@
dieses
Antennenelementes ein hochspannungsfester Kondensator sehr kleiner Kapazität geschaltet
wird. Der Kapazitätswert dieses hochspannungsfesten Kondensators richtet sich nach
dem zu übertragenden Betriebsfrequenzbereich der Antennenanordnung.
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Nachdem die erfindungsgemäße Antennenanordnung vor allem für den UHF-
und VHF-Frequenzbereich vorgesehen ist, wird diese Kapazität vorzugsweise derart
bemessen, daß sie zusammen mit
dem durch die gefalteten Leiter des doppelt gefalteten Antennenelements gegen Erde
gebildeten Induktivität einen entsprechend dem Betriebsfrequenzbereich der Antennenanordnung
bemessenen ochpass darstellt, also einen Hochpass mit einer Grenzfrequenz etwa in
der Nähe der unteren Betriebsfrequenzgrenze.
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Zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe sind nicht alle Typen von Antennenelementen
brauchbar. Der erste erfindungsgemäße Schritt besteht daher in der Auswahl solcher
Antennenelemente aus der Vielzahl von bekannten Antennenformen, die gegen die Wirkung
des magnetischen Feldes von in der Nähe der Antenne einschlagenden Blitzen geschützt
sind. Diese Forderung erfüllen nur doppelt oder mehrfach gefaltete Dipole oder Monopole
bestehend aus zwei oder mehreren symmetrisch zu einem mittleren Speiseleiter gefalteten
Leitern. Solche doppelt oder mehrfach gefaltete Dipole oder Monopole gewährleisten
aber noch nicht einen Schutz gegen unmittelbaren Blitzeinschlag. Um eine solche
Antenne auch dagegen zu schützen, ist die zweite erfindungsgemäße Maßnahme nötig,
nämlich zwischen der gefährdeten Schaltung und dem mittleren Speiseleiter des Antennenelements
einen sehr kleinen Hochspannungskondensator einzuschalten. Hierdurch wird erreicht,
daß die elektromagnetische Energie eines Blitzes, die über einen großen Frequenzbereich
so verteilt ist, daß sie pro Hz Bandbreite mit wachsender Frequenz kleiner wird'möglichst
vollst ändig an der durch den Blitz gefährdeten Schaltung vorbei geleitet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden
im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Aus führungsbeispielen näher erläutert.
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Fig.1 zeigt schematisch die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
bei direktem Blitzeinschlag. Der Antennenteil, in welchem der Blitz einschlägt,
ist in Fig.1 als Kugel K dargestellt, kann in der Praxis selbstverständlich aber
auch jede andere Form besitzen. Dieser Antennenteil K ist mit der Blitzerde über
einen Leiter L hinriechend kleiner Induktivität verbunden. Die an die Antenne angeschlossene
Schaltung S ist über eine hinreichend kleine Kapazität C5 an eine geeignetc Stelle
der Antenne angeschlossen. Diese Kombination von Induktivität L und Kapazität Cs
stellt einen Hochpaß dar, der den größten Teil der Blitzenergie an der gefährdeten
Schaltung S vorbeileitet. Wenn der Schaltung S keine nennenswerte Blitzenergie zugeführt
werden soll, muß der Kondensator Cs so klein sein, daß in dem durch Cs und S gebildeten
Spannungsteiler für alle Frequenzen unterhalb des BetriebsPrequenzbereiches der
Antenne nahezu die gesamte zwischen Antennenteil K und Er de liegende Blitzspannung
an der Kapazität Cs liegt. Aus diesem Grunde muß der Kondensator Cs ein Hochspannungskondensator
schr kleiner kapazität sein; a-n welchem beim Blitzeinschlag je nach Betriebsfrequenz
der Antenne 10.000 V und mehr auftreten können.
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Die Induktivität L, die Kapazität Cs und die Schaltung S nach Fig.1
bilden zusammen eine Stromschleife. Alle zeitlich veränderlichen Felder, die durch
die Fläche dieser Schleife treten, induzieren in dieser Stromschleife Spannungen.
denn der Blitz neben der Antenne einschlag) fließen im Blitzkanal sehr hohe Ströme,
welche in der Umgebung sehr große magnetische Felder erzeugen. Diese magnetischen
Felder Röawlen durch Induktion in der Stromschleife der Antenne hohe Spannungen
induzieren und auch hierdurch die Schaltung S gefährden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird daher ein Antennenelement
in Form eines doppelt oder mehrfach gefalteten Dipols oder Monopols verwendet, wie
dies in Fig.2 für das Beispiel eines doppelt gefalteten Monopols mit Dachkapazität
und in Fig. 2a für das Beispiel eines verfach gefalteten Nonopols mit Dachkapazität
dargestellt ist. Die weitere Beschreibung geschieht anhand des doppelt gefalteten
Monopols der Fig.2, sie gilt jedoch sinngemäß auch für mehrfachgefaltete Antennen.
Das Antennenelement umfaßt zwei Stromschleifen jeweils gebilder durch die Leiter
1 und 2 bzw. 2 un 3. Die Leiter 1 und 3 bilden in Parallelschaltung die
die
Induktivität L der Anordnung nach Fig.1. Der Leiter 2 enthält die Kapazität " und
die Schaltung S. Beide Stromschleifen sind exakt gleich. Wenn durch die beiden Stromschleifen
die in Fig.2 eingezeichneten magnetischen Felder H treten, kompensieren sich die
induzierten Spannungen der beiden Stromschleifen so, daß der mittlere Speiseleiter
2 ähnlich wie der spannungsfreie Querzweig einer abgeglichenen Brücke praktisch
Prei von induzierten Spannungen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Antenne
eine obere Abschlußplatte 4, wie sie in Fig.2 und Fig.2a gezeichnet ist. Diese Abschlußplatte
wirkt dann besonders günstig, wenn sie die Antenne, von oben gesehen, vollständig
überdeckt. Man erreicht dadurch, daß der Blitz bei direktem Blitzeinschlag in die
Antenne fast immer in die obere Deckplatte einschlägt und nicht direkt in andere
Teile der Antenne. Hit Hilfe der induktionsarmen Deckfläche erreicht man auch, daß
sich der Blitzstrom fast genau je zur Hälfte auf die beiden Leiter 1 und 3 verteilt.
Sind die Ströme in den Leitern 1 und 3 gleich groß, so umgeben sie sich mit magnetischen
Feldlinien die die in Fig.3 in einer Ebene senkrecht zu den Leitorn gezeichnet sind.
In Fig.3 sind die Durchstoßpunkte der Leiter 1,2 und 3 kleine Kreise mit entsprechenden
Ziffern. Die Theorie dieser Feldlinien ist bekannt. Der Leiter 2 liegt in einer
Nullstelle des magnetischen Feldes. Alle Teile des Leiters 2, insbesondere die Schaltung
S, die unter Umständen viele kleine Stromschleifen enthalten kann, sind also hier
gegen induktive Wirkungen des Blitzstromes besonders gut geschützt, wenn der Blitzstrom
durch die Dachfläche gezwungen wird, sich in zwei gleiche Stromhälften durch die'Leiter
1 und 3 aufzuspalten.
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Bei einer unsyametriscnen Antenne kann das Erdblech eine massive Platte
oder ein Drahtgitter sein, aber auch aus einzelnen Stäben bestehen. Es muß in solcher
Form symmetrisch gebaut sein, daß es die Teilung des Blitzstroms in zwei gleiche
Hälften in den Leitern 1 und 3 nicht behindert. Es muß auch induktionsarm gebaut
sein, damit keine die Ableitung des Blitzes störende Zusatzinduktivität auftritt.
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Die Schaltung 3 kann eine passive Schaltung sein, die wie in Bild
4 eine Speiseleitung an diejenige Impedanz anpaßt, die die Antenne zwischen dem
Punkt 5 und Erde erscheinen läßt. Die
Schaltung S kann eine beliebige
passive Schaltung, ein Symmetrierübertrager oder eine Symmetrierungsschaltung jeder
bekannten Bauart sein, der eine symmetrische Antenne wie in Fig. 5 an ein koaxiales
Speisekabel 6 anschließt. Die Schaltung S kann Varaktordioden entsprechend der Anmeldung
P1766 720.8 enthalten, um die Impedanz der Antenne zu beeinflussen oder eine eins
teilbare Resonanz zu erzeugen. Die Schaltung S kann bei einer aktiven Sendeantenne
einen Leistungstransisor (oder ein entsprechendes anderes elektronisches Element)
enthalten, wobei der passive Teil der Schaltung S die Antennenimpedanz in einen
für die Leistungsabgabe des Transistors optimalen Lastwiderstand transformiert.
Die Schaltung S kann bei einer aktiven Empfangsantenne einen rauscharmen Transistor
als Vorverstärker enthalten, wobei der passive Teil der Schaltung S die Antennenimpedanz
entsprechend der Anmeldung P 1591300.5 so transformiert, daß sie dem für kleinstes
Transistorrauschen erforderlichen Wert entspricht (Rauschanpassung). Man wird im
Interesse eines hinreichend kleinen L die Antenne so kurz wie möglich machen, wobei
der Verkürzung dadurch eine Grenze gesetzt ist, daß mit kürzer werdender Antenne
die Impedanz-Transformation in der Schaltung immer aufwendiger und verlustreicher
wird und die Bandbreite der Antennenanordnung immer kleiner wird. Man wird die Schutzkapazität
Cs so klein wie möglich machen, damit ihr Blindwiderstnad möglichst groß und dann
die Schutzwirkung möglichst gut wird. Dieser Verkleinerung des Cs sind ebenfalls
Grenzen gesetzt, weil die Verkleinerung die Impedanztransformation in der Schaltung
S aufwendiger und verlustreicher macht und die Bandbreite der Anordnung vermindert.
Derartige Antennen, deren Höhe klein gegen die Wellenlänge ist,und die ein sehr
kleines Cs besitzen, zeigen zwischen dem Punkt 5 und Erdblech in Fig.4, bzw. zwischen
den Punkten 5 und 7 in Fig.6 eine Impedanz mit kleiner Wirkkomponente und großer
Xapazitiver Blindkomponente. Das mindeste, was dann die Schaltung S enthalten muß,
ist eine Induktivität LS in Serie zum Cs, um den Blindwiderstand des Cs zumindest
für eine Betriebsfrequenz zu kompensieren; Fig.7.
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Diese Kompensation des C5 durch Ls kann auch breitbandig sein, wie
in Fig.8 zeigt ist: C ist die Kapazität der Deckplatte
gegen Erde,
L die Induktivität der Leiter 1 und 3 parallel. C und L werden so gebaut, daß sie
bei einer mittleren Betriebsfrequenz Parallelresonanz ergeben. Cs und Ls sollen
eine Serienresonanz bei der gleichen Frequenz bilden. Der Widerstand RA beschreibt
den Strahlungswiderstand der Antenne. Die in Fig.8 angegebene Schaltung ergibt eine
Bandpaßkompensation; vgl. H.Meinke, Einführung in die Elektrotechnik höherer Frequenzen,
1.Band, 2. Aufl., Berlin 1965, Seite 121. Hierzu müssen die Größen C, L und die
Höhe der Antenne durch passende Gestaltung der Antenne so festgelegt werden, daß
sie genau diejenige Bandbreite ergeben, die im Einzelfall verlangt wird. Cs und
Ls sind dann so zu vählen, daß die Kompensation eintritt.
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Selbstverständlich kann man in der Schaltung S auch alle komplizierteren,
aus der Theorie linearer Schaltungen bekannten Filterschaltungen verwenden.
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In manchen Fällen kann es schwierig oder ungünstig sein, die zu fordernden
Impedanzen der Antenne zu erzeugen, wenn die Schaltung S wie in Fig.4 mit einem
Anschluß unmittelbar am Erdblech liegt.
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Die Schaltung S kann dann wie in Fig.6 in gewisser Höhe über dem Erdblech
liegen, wobei der Abstand a vom Erdblech nach Anmeldung P 1591287.5 so gewählt wird,
daß die an den Anschlüssen der Schaltung S erscheinende Antennenimpebanz so nahe
an dem von dem elektronischen Element geforderten; optimalen Wert liegt, daß der
passive Teil der Schaltung S ein Minimum an Transformation zu erledigen hat, so
daß der passive Schaltungsteil besonders einfach wird oder ganz wegfallen kann.
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Beim Blitzeinschlag lädt sich der Kondensator Cs kurzseitig auf.
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Es fließt also durch die Schaltung S ein kurzer Ladestromstoß und
schnell darauf ein entsprechender Entladestromstoß. Da die Verkleinerung des Cs
gegen der Bandbreite nicht beliebig weit getrieben werden kann, können diese Stromstöße
in Extremfällen ausreichen, um empfindliche, elektronische Bauelemente in der SChaltung
S oder in den angeschlossenen Geräten zu zerstören. Daher muß die Schaltung 5 entweder
Stromwege enthalten, die diese Kondensatorströme an den elektronischen Elementen
vorbeifUhren, oder Maßnahmen zur Verschiebung der Arbeitspunkte enthalten derart,
daß die Arbeitspunkte der gefährdeten elektronischen Elemente durch die Kondensatorströme
so verschoben
werden, daß die Ströme durch die elektronischen Elemente
in den betreffenden Augenblicken ausreichend klein bleiben.
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Im folgenden wird lediglich das Beispiel eines mit der Antenne im
Empfangsfall integrierten Transistor-Verstärkers behandelt, jedoch sind die dort
entwickelten Ideen auch für die anderen, in der vorliegenden Anmeldung genannten
Anwendungen sinngemäß anwendbar.
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In Fig.9 ist ein einfaches Beispiel gezeigt, wie mit Hilfe von Dioden
größere Ströme von der Schaltung S ferngehalten werden können. Im normalen Betriebsfall
sind die Schutzdioden D1 und D2 in Sperr-Richtung vorgespannt und haben auf den
Signalfluß keine Wirkung. Die Hilfsspannung UH, welche die Dioden vorspannt, muß
so gewählt werden, daß auch bei größten Amplituden der Signalspannung beide Dioden
gesperrt bleiben.
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Tritt dagegen ein Blitzschlag auf und wird über Cs ein Strom eingeprägt,
so steigt am Verbindungspunkt 8 zur Schaltung S die Spannung nur solange, bis die
Sperrspannung entweder der Diode D1 oder der Diode D2 gerade auf gehoben ist. Von
diesem Zeitpunkt an wird der Ladestrom des Kondensators Cs von der Diode D1 (positive
Ladeströme) oder von der Diode D2 (negative Ladeströme) übernommen. Entsprechendes
gilt für den Entladestrom des Kondensators Cs.
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Damit die Dioden D1 und D2 voll wirksam sind, sollten sie niederolimig
sein und schnell vom Sperrzustand in den Durchlaßzustand schalten können. Da es
sich im allgemeinen um sehr kurze Stromimpulse mit steilen Flanken handelt, müssen
die Stromzweige der Dioden D1 und D2 induktivitätsarm aufgebaut sein. Nan wird deshalb
die Hilfsspannungsquelle UH mit einem Kondensator CL iiberbrticlsen, dessen Kapazität
sehr viel größer sein muß als die von Cs Natürlich kann diese Art der Schutzschaltung
zur Erhö'nung der Schutzwirkung auch mehrstufig aufgebaut sein. Fig.10 zeigt das
für den Fall einer zweistufigen Schaltung. Zwischen dem Kondensator Cs2 und den
Dioden D3/D4 tritt im Falle eines Blitzschlages eine weitere Sparniungsteilung auf.
Cs2 sollte wieder möglichst kleine Kapazität haben, braucht aber nicht mehr hochspannungsfest
zu sein.
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Im alle eines Blitzschlages kann es vorkommen, daß ein an die Antenne
angeschlossener Transistor kurzzeitig vollkommen ins Durchlaßgebiet gesteuert wird.
Ist der Transistor an eine große Kapazität, oder wie z.B. in Fig.11 dargestellt,
an eine Leitung K angeschlossen, so kann sich möglicherweise die in der Kapazität
oder der Leitung wegen der angelegten Versorgungsspannung UB gespeicherte Mnergie
über den Transistor entladen und ihn zerstören, obwohl die von der Antenne kommende
Energie zu einer Zerstörung nicht ausgereicht hätte. In einer bevorzugten Form der
Erfindung sind deshalb Verbindungsleitungen zur Antenne mit möglichst kleinen Eapazitäten
zur Signalführung an die Schaltung S angeschlossen, wie im Beispiel der Fig.11 mit
dem Koppelkondensator Cc angedeutet ist.
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Fig.12 zeigt eine andere Möglichkeit, wie eine Zerstörung aktiver
Elemente durch die Entladungsströme einer angeschlossenen Leitung oder angeschlossener
Koppelemente verhindert werden kann: in der gezeichneten Gegentaktschaltung können
dei Kollektroströme ic1 und ic2 bei einem Blitzeinschlag kurzzeitig maximal nur
den doppelten Wert der eingestellten Ruheströme erreichen.