DE826458C - Abstimmbare Antenne fuer lange Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine für den sogenannten langen Wellenbereich bei der drahtlosen Nachrichtenübermittlung, insbesondere der Rundfunkübertragung, benutzbare abstimmbare Antenne. Die Verwirklichung einer solchen Antenne begegnet vielen praktischen Schwierigkeiten, hauptsächlich folgenden:

a) Abmessungen der Antenne

Bekanntlich erreicht in der Nähe der Halbwellenhöhe die Wirkungsweise einer senkrechten Antennenausführung ihr Optimum sowohl hinsichtlich des Strahlungswiderstandes wie auch bezüglich des pro Leistungseinheit ausgestrahlten Feldes, aber bei den langen, d. h. kilometrischen Rundfunkwellen machen Faktoren mechanischer und wirtschaftlicher Art die Benutzung einer Halbwellenantenne unmöglich.

b) Breite des zu übertragenden Frequenzbereiches

Der zu berücksichtigende Faktor entspricht bekanntlich dem Quotienten aus dem Modulationsfrequenzband und der Frequenz der Trägerwelle. Bei langen Wellen erreicht dieser Faktor hohe Werte. Nun gestattet aber die Trennfähigkeit, die eine fadenförmige Antenne mit eirfer die Länge des Halbwellenelementes deutlich unterschreitenden Länge aufweist, nicht die richtige Anpassung der Eintrittsimpedanz der Antenne im ganzen Bereich der zu übertragenden Frequenzen.

Es ist bekannt, im Bereich der mittleren und der kurzen Wellen bei der Rundfunkübertragung als Antenne einen starren metallischen Mast zu verwenden, dessen wirksame elektrische Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge ist. Es ist übliche Praxis, die geometrische Länge dieses Mastes durch Anordnung einer Endkapazität am oberen Ende der Antenne zu verringern. Diese Endkapazität, deren Strahlung an sich vernachlässigbar ist, kann aus

ίο einer auf der Spitze des Mastes aufruhenden leitenden Platte oder einem sich nach unten öffnenden leitenden Kegel bestehen. Man kann die geometrischen Abmessungen des Mastes bis auf etwa ein Achtel der Wellenlänge verkürzen. Die in dieser Weise ausgebildeten Antennen weisen eine verhältnismäßig gute Trennschärfe auf.

Anderseits hat die Technik der Meterwellen zur Untersuchung von kegelförmigen Antennen geführt. Die Ergebnisse der theoretischen Erwägungen und praktischen Versuche haben gezeigt, daß das durch derartige strahlende Gebilde übertragene Frequenzband größer ist als das unter gleichen Verhältnissen durch einen fadenförmigen Luftleiter von gleichen Abmessungen übertragene Frequenzband.

Unter Ausnutzung dieser für Meterwellen gewonnenen Erkenntnisse wird nach der Erfindung eine im Bereich der langen Wellen benutzbare senkrechte Antenne vor allem dadurch geschaffen, daß ein von strahlenden Leitern kegelförmig umgebener Mast mit einer Endkapazität in der Form eines mit der Spitze nach oben gerichteten Kegels mit einstellbarer Länge versehen und so der strahlende Hauptteil der Antenne durch den erstgenannten Kegel mit dem Mast als Achse gebildet ist. Ein weiteres Merkmal der Antenne nach der Erfindung besteht darin, daß die dieses konische Strahlungsgebilde in seiner Starrheit sichernden A'ersteifungsglieder von Strömen durchflossen werden, deren Richtungssinn so gewählt ist, daß sie ein Feld erzeugen, das teilweise das Feld aufhebt, das durch die Teile des als Endkapazität wirksamen Gebildes ausgestrahlt wird und wegen der zum Richtungssinn des Hauptfeldes entgegengesetzten Richtung seiner senkrechten Komponente schädlich ist. Eine baulich und wirtschaftlich l>esonders vorteilhafte Ausführung einer nach diesen Richtlinien ausgebildeten Antenne wird dadurch möglich, daß man die Teile des konischen Strahlungsgebildes gegebenenfalls zur Aufrechterhaltung der Starrheit des senkrechten Baukörpers der Antenne zusammenwirken lassen kann.

Die Zeichnung veranschaulicht die Antenne nach der Erfindung beispielsweise in einer Ausführungsform. Abb. ι gibt eine Seitenansicht der Antenne wieder und Abb. 2 ist ein den Verlauf und die Richtung der Ströme bei dieser Antenne darstellendes Diagramm. Abb. 3 und 4 zeigen im größeren Maßstabe das obere Ende der Antenne nach Abb. 1 in Seitenansicht und in Draufsicht. Abb. 5 und 6 lassen zwei Abänderungen einer Einzelheit der Antenne nach Abb. 1 erkennen. In allen Abbildungen sind die gleichen Teile mit den nämlichen Bezugsziffern bezeichnet.

Gemäß Abb. 1 setzt sich die Antenne aus drei verschiedenen Teilen zusammen:

a) Den einen Bestandteil der Antenne bildet der mit Hilfe eines dazwischengefügten Isolators 2 senkrecht auf dem Boden stehende Mast 1, an dessen Spitze sich die Plattform 3 befindet, die wie der Mast aus Stahl gefertigt ist. Die Höhe des Mastes ist mindestens gleich einem Achtel der Wellenlänge. Die Plattform 3 trägt ein sternförmiges Gebilde 4 aus Leichtmetall, z. B. Duraluminium, das aus mehreren, z. B. neun, dreieckigen Armen besteht, die (vgl. Abb. 3 und 4) an die Plattform 3 angelenkt und aus Leichtmetallröhren oder Leichtmetalleisten zusammengefügt sind. Der Mast l ist in bekannter Weise an drei Punkten seiner Höhe verspannt, und die zur Verspannung benutzten Metallkabel 14 sind durch Isolatoren in Abschnitte von geringer Länge zur Verringerung der Stärke der sie durchfließenden elektrischen Ströme unterteilt.

Die Starrheit des durch die Arme 4 dargestellten Leichtmetallgebildes ist (vgl. Abb. 3 und 4) durch die an einer Verlängerung 6 des Mastes befestigten Spanndrähte 5 gesichert. Diese Verlängerung 6 bringt dabei sozusagen kostenlos eine Verbesserung des elektrischen Verhaltens des Mastes, da sie zur Erzielung der mechanischen Starrheit des aus den Armen 4 bestehenden sternförmigen Gebildes unerläßlich ist.

b) Der zweite Bestandteil der Antenne nach Abb. i, 3 und 4 ist die zur Erhöhung der elektrischen Länge des Mastes 1 an dessen Spitze angeordnete Endkapazität, die aus den Leitern 7 besteht, die wie die Stäbe eines Regenschirmes das obere Ende des Mastes τ umgeben, indem sie nach den Erzeugenden eines Kegels angeordnet sind, dessen Spitze in einem Punkt der Verlängerung 6 des Mastes 1 liegt. An ihren unteren Enden sind die Leiter 7 durch Isolatoren 9 mit sie gespannt haltenden Metallkabeln 8 verbunden, die ihrerseits je an einen in den Boden gesteckten Halter unter Zwischenfügung einer mechanischen Einstellvorrichtung angeschlossen sind, welche eine bestimmte Kabellänge freizugeben oder einzuziehen gestattet und aus einer Winde oder aus einem Gegengewichtsregler bestehen kann. Wenn die Einstellung einmal bewirkt ist, kann man, falls gewünscht, die unteren Enden der Kabel 8 an eine kräftige Verankerung starr anschließen. u₀

An ihren oberen Enden sind die Leiter 7 (vgl. Abb. 3) über Führungsrollen 10. die an den äußeren Enden der Arme 4 gelagert sind, an je eine auf der Plattform 3 angeordnete Winde 13 angeschlossen, welche auf mechanischem Wege nach Belieben die nützliche Länge der Leiter 7. d. h. die Entfernung zwischen den Rollen το und den Isolatoren 9. einzustellen gestattet. Der Wert der Endkapazität, welche die Antenne auflädt, ist nämlich eine Funktion dieses Teiles der Gesamtlänge der Leiter 7, und dies gilt auch für die elektrische Länge der Antenne. Mit den Rollen το stehen nicht nur die auf ihnen aufliegenden Leiter 7, sondern auch die Spanndrähte 5 in elektrischer Berührung. Die Winden 13 können durch irgendeine gleichwertige Vorrichtung ersetzt sein, welche die wirksame Länge

der Leiter 7 einzeln oder gleichzeitig von der Plattform 3 oder vom Fuß des Mastes 1 aus zu regeln gestattet.

c) Den dritten Bestandteil der Antenne nach Abb. i, 3 und 4 stellt das Strahlungsgebilde dar, das sich aus mehreren, in der gleichen Zahl wie die Arme 4 vorgesehenen Leitern 11 zusammensetzt, deren obere Enden (vgl. Abb. 3) in elektrischer Berührung mit den Rollen το stehen und in deren Nähe an den Armen 4 befestigt sind und deren untere Enden am Fuß des Mastes 1 (vgl. Abb. 1) unmittelbar oder über je ein Verbindungsglied an die nicht veranschaulichte Speiseleitung Anschluß haben. In; elektrischer Beziehung verhalten sich diese z. B. neun Leiter 11 bei den betrachteten Frequenzen wie ein zusammenhängender leitender Kegel, der den Mast 1 als Achse hat. Bekanntlich ist das durch ein derartiges strahlendes Gebilde gehende Frequenzband breiter als bei einem Strahlungsgebilde von geringerem Querschnitt.

Die Leiter 11 können zur Aufrechterhaltung der Starrheit des senkrechten ßaukörpers der Antenne zusammenwirken und zu diesem Zweck aus Metallkabeln, z. B. aus Stahldrähten, bestehen. Man kann unter Umständen auch auf diesen mechanischen .Vorteil verzichten und die Leitern aus Kupferdraht herstellen und einzig für die elektrische Stromführung verwenden. Für die einzelnen Leiter ι r können nicht näher dargestellte Spannvorrichtungen, z. B. in Form von Gegengewichten, an dem Fuß des Maates 1 vorgesehen sein, mit dem die Leiter 11 auf irgendeine Weise elektrisch verbunden sind.

In der Verlängerung 6 des Mastes 1 kann (vgl. Abb. 3) eine Stange 12 in Form eines Rohres oder einer Leiste von verhältnismäßig geringem Querschnitt verschiebbar angeordnet sein, die über die Mastverlängerung hinausragt und gegebenenfalls zur Regelung der Antenne beim Betrieb dienen kann, während die vorherige Regelung in Ruhestand der Antenne durch Einstellung der wirksamen Länge der Leiter 7 erreicht wird.

Die wirksame Länge der Leiter 7 kann auch von dem Anschlußpunkt der Spannkabel 8 aus durch eine Winde oder eine ähnliche Vorrichtung einstellbar sein und hierl>ei jeder Leiter 7 an seinem oberen Ende unter der Einwirkung eines auf der Plattform angeordneten Gegengewichts zwecks Ausgleichs der auf ihn ülx>r das Spannkabel 8 ausgeübten Zugspannung stehen. Man kann auch ein solches Ausgleichsgewicht längs verschieblich an jedem der Leiter 11 vorsehen und parallel zu diesem durch ein Führungsmittel das Ende des entsprechenden Leiters 7 halten. Das am Ende des Leiters 7 angreifende Gegengewicht wahrt die Starrheit des gesamten Antennengebildes und wird, wenn ein Zug von dem unteren Ende des Kabels 8 aus auf den Leiter 7 ausgeübt wird, ansteigen und umgekehrt, wenn eine bestimmte Länge des Kabels 8 am Mastfuß freigegeben wird, sich senken und dabei den Leiter 7 mitnehmen sowie hierdurch den Isolator 9 nach der Rolle 10 hin anheben. Die Querschnitte der Leiter 7 und der Spanndrähte 5 können je nach zu erfüllen- ! den mechanischen Bedingungen gleich oder verschieden sein.

Abb. 2 zeigt schematisch die Verteilung und Richtung der Ströme in den verschiedenen Leitern der Antenne nach Abb. 1, 3 und 4. Die Leiter n werden am Fuße des Mastes 1 durch eine mit der Speiseleitung verbundene Anschlußzelle mit Strom versorgt. Am oberen Ende der Leiter 11 teilt sich der sie durchfließende Strom bei den Rollen 10 zwischen den die Endkapazität des Mastes 1 darstellenden Leitern-7 und den die Starrheit des sternförmigen Gebildes 4 gewährleistenden Spanndrähten 5. Die Stromverteilung hängt im wesentlichen von den an den Rollen¹ 10 durch die einzelnen Leiter 7 und Drähte 5 gegebenen Impedanzen ab.

Das durch die Leiter 7 ausgestrahlte elektromagnetische Feld weist eine senkrechte Komponente von einem Richtungssinn auf, der zu der Richtung des durch die Leiter 11 ausgestrahlten Hauptfeldes entgegengesetzt ist. Das durch die Ströme in den Spanndrähten 5 hervorgerufene elektromagnetische Feld hat dagegen eine senkrechte Komponente, die sich zu dem Hauptfeld hinzufügt.

Das durch die Leiter 7 ausgestrahlte gegensinnige Feld ist um so geringer, je kurzer diese Leiter geometrisch sind. Es ist daher erwünscht, sie durch Teile zu verlängern, deren Gesamtstrahlung Null ist. Dies führt dazu, den durch die Leiter 7 gebildeten Kegel gemäß Abb. 5 durch einen vieleckigen Leiter 15 zu ergänzen, der die unteren Enden der Leiter 7 verbindet. Um dabei trotzdem die Regelung der wirksamen Länge der Leiter 7 zu ermöglichen, kann der vieleckige Leiter 15 vorzugsweise nach einer formveränderlicheni Linienführung gestaltet sein. Abb. 5 zeigt hierfür eine Ausführungsmöglichkeit, bei der sich die Länge der Leiter 7, wenn die Spannkabel 8 einer Zugbeanspruchung unterworfen sind, in einem bestimmten Ausmaß unter Aufrechterhaltung eines gespannten Gesamtdrahtgebildes verändern läßt. Gemäß Abb. 5 sind die Spannkabel 8 mit Punkten B₁, B₂ ... B₉ des Vielecksleiters 15 verbunden, die je in gleichem Abstand von zwei aufeinanderfolgenden Anschlußpunkten A₁, A, bzw. A₂, A₃. . . A_s, A_g der Leiter 7 liegen, und die Länge des Leiters 15 ist so bemessen,, daß er, wenn die wirksame Länge der Leiter 7 auf den Höchstwert eingestellt ist, die Form eines regelmäßigen Vielecks annimmt, während er bei geringeren Längen der Leiter 7 in ein sternförmiges Vieleck übergeht, bei dem die Winkel an den Sternspitzen B₁, B₂ ... B₉ um so kleiner sind, je geringer die Länge der Leiter 7 ist.

Der Vieleckleiter 15 kann gemäß Abb. 6 dadurch besonders elastisch gestaltet werden, daß seine Ecken durch aus Drähten gebildete Gelenkparallelogramme A₁, B₁, C₁, D₁ ... A%, B9, Ca, Dg ersetzt werden, bei denen die zwei einander gegenüberliegenden Ecken C₁ und D₁ ... C₉ und D₉ mit dem entsprechend unterteilten Vielecksleiter 15 verbunden sind, während von beiden anderen Ecken A₁ und /^₁ ... A₉ und B₉ je die eine A₁ . . . A₉ an einen Leiter 7 und die andere B₁... B₉ über einen Isolator 9 an ein Spannkabel 8 angeschlossen ist. Bei

einer Vergrößerung der wirksamen Länge der Leiter 7 werden sich die Punkte A₁ . . . A₉ vom Symmetriemittelpunkt des ganzen Drahtgebildes entfernen und die Gelenkparallelogramme sich zu verbreitern suchen. Dabei werden die Punkte B₁ und C₁ ... B₉ und C₉ in ihrem gegenseitigen Abstand hinreichend zunehmen, um die Längenvergrößerung der Seiten des umschriebenen Vielecks auszugleichen, dessen Radius sich verlängert hat. Umgekehrt werden bei einer Verringerung der wirksamen Länge der Leiter 7 die Punkte A₁... A₀ sich dem Mittelpunkt des Drahtgebildes nähern und die Gelenkparallelograjnme sich verlängern, so daß eine Annäherung der Punkte C₁ und D₁ ... C₉ und D₉ eintritt.

Sowohl bei der Verlängerung wie bei der Verkürzung der Leiter 7 bleiben die Verschiebungen der Punkte B₁ ... B₉ weit unter den Verschiebungen der Punkte A₁. . . A₉. Der Verschiebungshub dieser Anordnung ist naturgemäß sehr beschränkt. Um die Einstellung in einen größeren Bereich zu ermöglichen, muß die Länge des Vielecksleiters 15 verändert werden. An Stelle von Gelenkparallelogrammen kann man in den Vielecksleiter auch andere die gewünschte Elastizität des ganzen Drahtgebildes ergebende formveränderliche Zwischenglieder bekannter Art einschalten.

Bei der in, der Zeichnung wiedergegebenen besonders einfachen Ausführung der Antenne nach der Erfindung kann die Verteilung der Ströme, die zwischen den drahtförmigen Leitern und dem Mast infolge der an' mehreren Punkten vorhandenen elektrischen Verbindung dieser Teile stattfindet, eine Wirkung auf die Eintrittsreaktanz und die Trennschärfe der Antenne sowie auf den Strahlungswiderstand ausüben. Daher kann nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens diese Stromverteilung gegebenenfalls dadurch beeinflußt werden, daß man isolierende Zwischenglieder oder Leiter mit gleichwertiger Reaktanz insbesondere an den Kontaktpunkten zwischen dem Mast und den drahtförmigen Leitern einfügt.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Abstimmbare Antenne für den Langwellenbereich der Rundfunkübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß ein senkrechter, mit seinem Fuß auf einem Isolator (2) ruhender Mast (1) von einer ungefähr einem Achtel der Wellenlänge gleichen Länge an seiner Spitze eine Plattform (3) trägt, an die ein sternförmiges, aus Leisten oder Röhren zusammengesetztes Leichtmetallgebilde (4) angelenkt ist, daß ferner mehrere drahtförmige, strahlende Leiter (11) nach den Erzeugenden eines den Mast (1) als Achse umgebenden und mit der Spitze nahe dem Mastfuß endenden Kegels angeordnet sind und diese Gruppe von Leitern (11) an deren oberen Enden in elektrischer Berührung mit einer zweiten Gruppe von Leitern (7) einstellbarer Länge steht, die mechanisch an die freien Enden des sternförmigen Leichtmetallgebildes (4) angeschlossen und nach den Erzeugenden eines nach unten hin sich verbreiternden und als Spitze einen Punkt in einer Verlängerung (6) des Mastes (1) aufweisenden Kegels ausgerichtet sind (Abb. 1).
2. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den freien Enden des sternförmigen Leichtmetallgebildes (4) Rollen (10) angebracht sind, über welche die strahlenden Leiter (7) geführt sind, die einen nach unten offenen Kegel darstellen (Abb. 3).
3. 3. Antenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen nach unten offenen Kegel bildenden Leiter (7) durch am Boden verankerte Kabel (8) gespannt sind (Abb. 1).
4. 4. Antenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Rollen (10) geführten Leiter (7) durch eine oder mehrere auf der Plattform (3) des Mastes (1) angeordnete Winden (13) auf- und abwickelbar und die am Boden verankerten Spannkabel (8) durch Regelvorrichtungen verlänger- oder verkürzbar sind (Abb. ι und 3).
5. 5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen der einen nach unten sich zuspitzenden Kegel bildenden Gruppe von Leitern (11) und dem Mast (1) durch Impedanzen gegeben ist, die für die günstige Stromverteilung zwischen diesen Leitern (11) und dem Mast (1) gewählt sind (Abb. 1, 3 und 4).
6. 6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einen nach oben sich verjüngenden Kegel darstellenden Leiter (7) miteinander durch einen in Vielecksform verlaufenden Leiter (15) verbunden und an den Verbindungsstellen formveränderliche leitende Zwischenglieder (A₁, B₁, C₁, D₁. .. A₉, B₉, C₉, D₉) zur Ermöglichung der Einstellung der wirksamen Längen dieser Leiter vorgesehen sind (Abb. 6).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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