DE2751840A1 - Abspannung eines selbststrahlenden, elektrostatisch geerdeten antennenmastes - Google Patents

Description

• Abspannung eines selbststrahlenden, elektrostatisch geerdeten
• Antennenmastes Die Erfindung betrifft eine Abspannung, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben. Ihr Hauptanwendungsgebiet sind Sendeantennen für Lang- oder Lingstwellen. Bei diesen Betriebswellenlängen werden Maste verwendet, deren Höhe h nicht größer ist als ungefähr ein Viertel der Betriebswellenlange 9t. Meist ist sogar h « . Die der Erfindung zugrundeliegenden Probleme treten bevorzugt bei tiefen Frequenzen und großen Masthöhen sowie bei großer Sendeleistung und dementsprechend hohen Hochfrequenzspannungen auf.
• Selbststrahlende Maste werden üblicherweise so konzipiert, daß nur der Mast und gegebenenfalls eine an seiner Spitze angebrachte Dachkapazität als Strahler wirken. Die zum mechanischen Halten erforderlichen Abspannseile sollen die Hochfrequenzfunktion möglichst wenig beeinflussen, d.h. auf ihnen soll kein Strom oder ein im Vergleich zum Maststrom vernachlässigbar kleiner Strom fließen. Diese Bedingung wird von der üblichen Ausführungsform der Abspannseile als Stahlseile, die durch Isolatoren in kleine Stücke unterteilt sind, erfüllt.
• Insbesondere bei hohen Masten treten aber noch zusätzliche Probleme auf, wenn bei sehr hohen elektrostatischen Feldstarken, wie sie beispielsweise bei Gewittern vorkommen können, an den Isolatoren elektrostatische Spannungen auftreten, die zu Isolatorüberschlagen führen.
• Zur Abhilfe wurde bisher versucht, das Auftreten statischer Spannungen dadurch zu verhindern, daß die als Isolatoren verwendeten Isolator-Gehnge mit Ableit-Widerständen überbrückt wurden, die einen mit wachsender Spannung fallenden Gleichstrom-Widerstand haben, hochfrequenzmäßig jedoch sehr hochohmig sind. Es hat sich allerdings gezeigt, daß deren Haltbarkeit gering ist, so daß sie häufig ausgewechselt werden müssen.
• Bei einer anderen Abspannung, die in einer Höhe von etwa ) /4 am Mast angreift, ist ein nicht isoliertes, elektrisch leitendes Seil mit Mast und Erde leitend verbunden worden (französische Petentschrift 1 57 855). Antenne und Abspannseile wirken hier als eine Art Faltmonopol. Diese Art der Abspannung hat den Nachteil, daß auf den Seilen ziemlich große Ströme fließen, welche die Strahlungscharakteristik stark beeinflussen.
• Außerdem ist diese Abspannung bei Masten, die kürzer als A /4 sind, nicht anwendbar.
• Die Abspannung von Antennenmasten mit Kunststoffseilen, die versucht wurde, hat sich nicht bewährt, wenn große Hochfrequenzleistungen verwendet werden. Es ist dann nämlich möglich, daß -beispielsweise infolge von Verschmutzung der Seiloberfläche -Koronaentladungen oder Lichtbögen auftreten, welche die Seile zerstören können.
• In der DT-AS 1 055 062 sind Verspannungen für einen selbstschwingenden Antennenmast beschrieben, bei denen die Isolatoren räumlich so angeordnet sind, daß ein großer Teil der Verspannungen elektrisch leitend mit zum Antennenmast gehört.
• Dies wird dadurch erreicht, daß die Isolatoren der Verspannungen in im Vergleich zur Masthöhe geringer Höhe über dem Erdboden so angebracht sind, daß der größte Teil jeder Verspannung in elektrisch leitender Verbindung mit dem Nast steht und daß die unteren Enden der leitend mit dem Nast verbundenen Verspannungsteile z.B. dicht oberhalb der Isolatoren durch zustzliche Leiter mit dem Mastfuß und/oder untereinander verbunden sind. Dadurch wird erreicht, daß die Zahl der erforderlichen Pardunenisolatoren minimal ist und die Isolatoren herabgesetzte Spannungen aufzunehmen haben, weil die unteren Teile einer Antenne in den meisten Fellen geringere Spannung führen als die Antennenspitze. Wegen der großen Kapazität, welche die Verbindungsleiter, die in im Vergleich zur Masthöhe geringer Höhe über dem Erdboden angebracht sind, gegen Erde haben, wird die effektive Höhe der Antenne erheblich verkleinert. Das ist von Nachteil. Darüber hinaus ist die Anbringung der Verbindungsleiter besonders bei hohen Antennen für große Wellenlängen mit einem großen Herstellungsaufwand verbunden.
• Schließlich ist in der DT-OS 25 24 052 eine Abspannung eines elektrostatisch geerdeten Antennenmastes angegeben, bei der die Isolatoren in den leitenden Abspannseilen durch Uberbrückungselemente überbrückt sind, deren Gleichstromwiderstände klein sind im Vergleich zu den Isolationswiderständen und deren Hochfrequenz-Impedanzen einen solchen Wert haben, daß die durch Kopplung mit der Antenne auf den Seilstücken angeregten Hochfrequenzströme die Strahlungscharakteristik und die Impedanz der Antenne nur geringfügig nachteilig beeinflussen, was insbesondere dann erreicht wird, wenn die Pardunen so gegenüber ihrem Resonanzzustand verstimmt sind und daher so kleine Ströme führen, daß sie hochfrequenzmäßig die Antennenwirkung nur vernachlässigbar wenig beeinflussen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Isolatorüberschläge infolge elektrostatischer Spannungen mit möglichst einfachen Mitteln zu verhindern, wobei gleichzeitig die Wirkungsweise der Antenne nicht wesentlich verschlechtert werden soll.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus folgenden Uberlegungen: Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Abspannseiles mit nur einem einzigen Isolator kann am Isolator keine elektrostatische Spannung auftreten, weil beide Teile des Abspannseils statisch geerdet sind, das eine Teil über den Mast und das andere über das Pardunen-Fundament. Früher benutzte elektrische Uberbrückungselemente (z.B. Spulen) zum Abbau elektrostatischer Spannungen am Isolator sind daher überflüssig.
• Hinsichtlich des Hpchfrequenzverhaltens wird das Abspannseil in die Funktion der Antenne mit einbezogen. Infolge der Isolatorkapazität und der verteilten Kapazität zwischen den beiden Abspannseilstücken fließt zwar auf dem Abspannseil ein Strom in entgegengesetzter Richtung wie auf dem Mast; er vermindert die effektive Höhe der Antenne und ist insofern nachteilig.
• Wird der Isolator aber nicht in unmittelbarer Nähe des Mastes angeordnet, sondern beispielsweise innerhalb des Bereiches vom Erdboden bis dreiviertel der Abspannseillänge, so wirkt das Abspannseilstück zwischen dem Mast und dem Isolator wie eine Dachkapazität, auch wenn es am Mast nicht unmittelbar an der Nastspitze, sondern merklich unterhalb der Mastspitze befestigt ist. Diese zusätzliche "Dachkapazität" hat einen vorteilhaften Einfluß auf die Hochfrequenzfunktion der Antenne besonders wenn die Antennenhöhe klein im Vergleich zur Betriebswelinlänge A ist, und wirkt dem Nachteil der Verminderung der effektiven Höhe entgegen. Für mehrere charakteristische Größen (z.B. Wirkungsgrad, Bandbreite, Fußpunktspannung) können sich sogar günstigere Werte ergeben als für einen Mast mit hochfrequenzmäßig unwirksamer Abspannung, bei der die Abspannseile mehrfach mit Isolatoren unterteilt sind.
• Hohe Maste werden in mehreren Höhen abgespannt. Die dachkapazitätsähnliche Wirkung eines Abspannseils tritt umso mehr hervor, je weiter oben das Seil am Mast angreift. Aber auch für die unteren Seile läßt sich die Erfindung vorteilhaft anwenden; bei erfindungsgemäßer Anordnung des Isolators erhält man beispielsweise bei der Betriebsfrequenz f für die Bandbreite B und den Wirkungsgrad m ungefähr gleiche Werte wie für einen gleichen Mast mit hochfrequenzmäßig unwirksamer Abspannung.
• Durch die Erfindung lassen sich die Kosten für die Isolation bei großer Betriebssicherheit sehr gering halten.
• Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt einen selbststrahlenden Mast, bei dem die Abspannseile in bekannter Weise mit Isolatoren unterteilt sind.
• Fig. 2 stellt einen selbststrahlenden Mast dar, wobei die Abspannseile entsprechend der Erfindung jeweils nur einmal isoliert sind.
• Fig. 3 zeigt charakteristische Größen für eine Antennenanlage mit einem Mast nach Fig. 2, der am Fußpunkt gespeist ist,in Abhängigkeit von der Höhe z der Abspannisolatoren unter bestimmten, weiter unten angegebenen Voraussetzungen.
• In Fig. 1 ist die Höhe des Mastes 1 auf der Ordinantenachse z mit h angegeben. Der Mast ist durch einen Fußpunktisolator 2 gegenüber dem Potential der Erde 3 isoliert und wird am Fußpunkt gespeist. Zwei Abspannseile 4 sind zwar elektrisch leitend mit dem Mast einerseits und der Erde 3 andererseits verbunden, aber mehrfach durch Isolatoren 5 unterteilt. Eine solche Anordnung ist bekannt.
• Geometrisch ähnlich ist der Aufbau der Fig. 2, wobei zusätzlich die Höhe z = zp angegeben ist, in welcher der Mast 1 mit Abspannseilen 4 abgespannt ist. Jedoch ist jedes Abspannseil 4 jeweils nur durch einen einzigen Isolator 5 unterteilt, dessen Höhe über dem Erdboden 3 mit der laufenden Ordinantenbezeichnung z angegeben ist. Der Isolator ist elektrisch nicht überbrücke.*) Die Höhe zp, in welcher der Mast 1 nach drei Richtungen abgespannt ist (es sind aber nur zwei Abspannseile 4 sichtbar), betragt 0,8 h.
• Fig. 3 zeigt nun für das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung die Abhängigkeit mehrerer charakteristischer Größen von der auf die Abspannhöhe zp bezogenen Isolatorhöhe z. Die Isolatorhöhe z ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel für alle drei Abspannseile dieselbe. Die Kurvenzüge in Fig. 3 sind für eine Frequenz berechnet, bei der h =N/12 ist, wobei /~ die Betriebswellenlänge im freien Raum ist. Zusätzlich ist der Erdwiderstand RE mit 0,5 Ohm und der Abstimmittel-Verlustwiderstand in Form eines Serienwiderstnndes RL mit 0,002 1x I| angenommen worden, wobei X die Speisepunktreaktanz ist.
• Der Wirkungagrad X ergibt sich als Verhältnis der abgestrahlten Leistung zu der Leistung, die der Anlage, die aus Antenne und Abstimmitteln besteht, zugeführt wird unter Berücksichtigung der Erdverluste und der Verluste in den Abstimmitteln. Die t) (Die beiden Abspannseilstücke sind also für Gleichstrom nichtleitend miteinander nur durch den -Isolator verbunden, der allerdings eine unvermeidliche Kapazität aufweist) Erdverluste können durch einen Serienwiderstand RE, die Abstimmittelverluste durch einen Serienwiderstand RL auagedrückt werden. Nimmt man den Strahlungswiderstand RS und den Speisestrom ISp' so ist die abgestrahlte Leistung PS = RS . I²SP und die zugeführte Leistung P = (RS + RE + RL) i2 Sp daher ist der Wirkungsgrad Fiir eine Antenne, die kurz im Vergleich zur Betriebswellenlange ist, ist die 3 dB-Bandbreite B näherungsweise durch die Speisepunktreaktanz X und den Gesamtwiderstand bestimmt nach der Gleichung wobei f die Betriebsfreauenz ist.
• sich Aus beiden Gleichungen ergibt/das Produkt aus Bandbreite B und Wirkungsgrad m zu den diese Größe ist unabhängig von den Verlustwiderstän/ RE und RL.
• Diese drei Größen (zum Teil auf die Betriebsfrequenz f bezogen) und zusätzlich die abgestrahlte Leistung Pi für den Speisestrom 0,8 Ampere sowie die abgestrahlte Leistung Pu für eine lnßpunktspannung von 200 V sind in Fig. 3 dargestellt in Abhängigkeit von z/zp (normierte Isolatorhöhe). Außerden sind rechts im Diagramm diejenigen Werte eingetragen, die für einen Mast ohne Abspannseil errechnet wurden (d.h. praktisch: für einen Mast mit hochfrequenzmäßig unwirksamen Abspannseilen, beispielsweise nach Fig. 1).
• Fig. 3 läßt erkennen, daß bei einer Isolatorhöhe z von weniger als der halben Abspannhöhe Zp alle dargestellten Kurvenzüge ihr Maximum haben. Wenn also für den im Patentanspruch 1 angeführten Ausdruck k1 . # + k2 . B + k3 . #B + k4 . Pu + k5 . Pi diejenige Isolatorhöhe z gesucht wird, bei welcher dieser Ausdruck seinen maximalen Wert bekommt, so wird die Isolatorhöhe z unter den für Fig. 3 gemachten Voraussetzungen unabhängig von der getroffenen Wahl für die Größe derto nstanten kl bis k5 kleiner als 0,5 Zp sein. Abhängig von der Wahl der Konstanten je nach den Eigenschaften, die von der Antenne gefordert werden, wird z zwischen 0 und 0,5 zp, insbesondere zwischen Q1zp und 0,4 zp liegen. Wird für eine bestimmte Antenne beispielsweise der Bandbreite B besondere Bedeutung beigemessen, so muß die Konstante k2 besonders groß gewählt werden mit der Folge, daß z entsprechend dem Verlauf des Kurvenzuges 100 B/f relativ klein gewählt werden muß, damit der im Patentanspruch 1 angegebene Ausdruck seinen maximalen Wert erhält.
• In einem anderen Fall, in welchem dem Wirkungsgradr) oder der abgestrahlten Leistung Pi besondere Bedeutung beigemessen wird, kommtes zu relativ großen Isolatorhöhen z, weil in dem besagten Ausdruck die Konstantenk1 bzw. k5 besonders groß gewählt werden müssen.
• Je nachdem, welchen Zwecken die Antenne dienen soll, deren teil die hier beschriebene Abspannung ist, kann - abgesehen von der Wirkung der oberen Teile der Abspannseile 4 als Dachkapazität - noch eine zusätzliche Dachkappazität em Mast 1 vorgesehen sein. Die Antenne kann nuch als Schirmantenne ausgebildet ein und es ist schließlich auch möglich, daß die Dachkapazität insgesamt von mehreren Masten getragen wird.
• Leerseite

Claims (1)

1. P a t e n t (" n s p r ii c h e 1) A@spannung eines @@@@@@@@@@. en@en, e@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@-deten Antennenmastes mit einem elektrisch leitenlen Abspannseil, welches an seinem unteren Ende mit Erdpotential und am oberen Ende mit dem Mast elektrisch lei@@nd verbunden ist, im übrigen aber keine leitenden Verbindungen mit dem Nast oder einem anderen Abspannseil aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es mit einem einzigen Isolstor ()£) unterteilt ist, der sich in einet derartigen Höhe (z) befindet, daß der Ausdruck k. .# . k2 . B + k3 .# . B + k4 . Pu + k5 .

   den maximalen Wert hat, wobei mit der Wirkungsgrad der Anlrge aus Antenne und Abstimmelementen, B die Bandbreite der Anlage aus Antenne un<i Abstimmelementen, die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert der Spannung an einer bestimmten Stelle der Antenne, die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert des Stromes an einer bestimmten Stelle der Antenne, k1, k, k3, k4, k5 nichtnegative Konstante, die je nach Ausführung und Anwendung der Antenne gewählt werden können, bezeichnet sind.

   £) Abspannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pu die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert der Spannung am Speisepunkt der Antenne ist.

   Abspannung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Pu die abestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert der Spinnung am Isolater des Abspannseils ist.

   Abspannung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß p@ die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert des der stromes am Speisepunkt / Antenne ist.

   p) Abspannung nach einem der Ansprüche A bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der L@olator (5) innerhalb des Bereiches vom Erdboden (3) bis dreiviertel der Abspannseillänge angeordnet ist.

   8) Abspannung nc einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Isolator (5) kein elektrisches Überbrückungselement vorgeschen ist.

   !) Abspannung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch Gekennzeichnet, daß an zwei unterschiedlichen Höhen des Mastes () ) jeweils wenigstens ein Abspannseil (4) jeweils mit den F.erkmalen eines der vorangehenden Ansprüche leitend befestigt ist.

   8) Abspannung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) unterhalb derjenigen @öhe angeordnet ist, bei deren Wahl als Isolatorhöhe (z) sich maximaler Wirkungsgradr ergeben würde.

   9) Abspannung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) unterhalb cerjenigen Höhe angeordnet ist, bei deren Wahl als Isolatcrhöhe (z) sich maximale abgestrahlte Leistung Pi ergeben würde.

   10) Abspannung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) oberhalb derjenigen Höhe angeordnet ist, bei deren Wahl als Isolatorhöhe (z) SiCiI ein llaxinìum.

   für das ProduktwtB ergeben würde.

   11) Abspannung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) oberhalb derjenigen Höhe angeordnet ist, bei deren Wahl als Isolatorhöhe (z) sich ein Maximum für die abgestrahlte Leistung Pu ergeben würde.

   12) Abspannung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abspannseil (4) merklich unterhalb des höchsten Antennenpunktes (Höhez= h) mit dem Mast (1) elektrisch leitend verbunden ist.

   1)) Abspannung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere untereinander gleiche Abspannseile (4) aufweist, die in derselben Abspannhöhe (zip) mit dem Maste (1) elektrisch leitend verbunden sind.

   14) Abspannung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil einer Antenne mit einem Mast ist, der eine Dachkapazität trägt.

   15) Abspannung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusammen mit dem Nast Teil einer Schirmantenne ist.

   16) Abspannung nach Anspruch 14 oder 15,dadurch gekennzeichnet, daß die Dachkapazität insgesamt von mehreren Masten getragen wird.

   47) Abspannung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Höhe (# zp) über dem Fußpunktisolator (2) des Mastes (1) elektrisch leitend mit dem Mast (1) verbunden ist, die kleiner ist als ein Viertel der Betriebswellenlänge # im freien Raum.