-
Insbesondere für Sendezwecke geeignete Antennenanordnung Die vorliegende
Erfindung befaßt sich mit einer Antenne, die insbesondere für Sendezwecke geeignet
ist.
-
Bei Sendeantennen war es bisher notwendig, besondere @Iaßnal»nen zu
treffen, um Ansammlungen beispiels@Neise von Rauhreif zu verhindern. Eine derartige
Ausbildung der Antenne aber hatte meist einen nachteiligen Einfluß auf deren Strahlungseigenscliaften.
-
Um die Strahlungsverteilung zu erhalten, %vurde es ferner besonders
bei Rundfunkantennen notwendig, diese länger als eine halbe Wellenlänge auszubilden
oder aber gegen Erde zu isolieren und am oberen Ende derselben eine besondere Belastung,
üblicherNveise in Form eines Kapazitätsgebildes und einer großen Drossel, vorzusehen.
Die zusätzliche Anbringung derartiger Teile jedoch ist im allgemeinen unerwünscht,
da hierdurch eine Verteuerung des Antennenmastes oder/und der Isolierung bedingt
wird.
-
Gegenstand dieser Erfindung ist demgegenüber eine Antennenanlage,
welche bei Vermeidung der erwähnten Nachteile zusätzliche Vorteile aufweist.
-
Die erfindungsgemäße Antenne ist als Dipol- oder --Lastantenne ausgebildet,
der die Energie an einem Ende eines inneren Leiters zugeführt wird, während dessen
anderes Ende mit einem äußeren Leiter oder Leitersystem gekoppelt ist.
-
Durch eine derartige Anordnung läßt sich eine günstige Strahlungsverteilung
der Antenne erzielen.
Der äußere Leiter braucht außerdem nicht von
der Erde isoliert zu sein, so daß keine Hochspannungsisolatoren benötigt werden.
-
Gemäß der Erfindung kann der strahlende Teil einer Mast- oder Turmantenne
mittels eines im Innern des metallischen Turmes angeordneten Leiter gespeist werden.
Ein Ende dieses Leiters führt zu einem Kapazitätsgebilde oder ist mittels einer
Schleife mit dem Turm gekoppelt. Zusätzliche leitende Teile oder ein leitender Teil
sind an ihrem oberen Ende entweder an der Mastspitze oder an irgendeiner mittleren
Stelle mit dem Turm verbunden und an ihren unteren Enden gegen den Turm isoliert
gehalten. Die Isolation kann hierbei durch gewöhnliche Isolatoren oder mittels Impedanzelementen
oder durch eigene Steifheit der Leiterelemente bewirkt werden.
-
Schließlich kann eine Antennenspeisung vorgesehen werden, welche ohne
Auftreten schädlicher Streustrahlung eine günstige Energieverteilung bewirkt.
-
An Hand der Zeichnungen werden in der weiteren Beschreibung einige
beispielsweise Ausführungen der Erfindung näher beschrieben.
-
Im einzelnen ist in diesen Zeichnungen folgendes dargestellt: Fig.
i bis .4 verschiedene Ausführungen von Dipolantennen, Fig. 5 und 6 Antennenanordnungen
für Dipolelemente, Fig. ; bis i i vertikale Mastantennen, Fig. 12 verschiedene Strahlendiagramme,
Fig. 13 und 14 zwei weitere Dipolantennen und Fig. 15 und 16 zwei weitere Mast-
oder Turmantennen.
-
Das in Fig. i dargestellte Dipolelement besteht aus einem äußeren,
beispielsweise röhrenförmig ausgebildeten Leiter io, aus den inneren Leitern i 1
und i :i, die von einer Stelle in der Nähe der Mitte des Leiters io aus diesem Leiter
io herausführen und ferner aus den mit den äußeren. Enden der Leiter i i bzw. 12
verbundenen kapazitiven Elementen 13 und 14. Die Antenne wird über eine Übertragungsleitung
15 aus einer Hochfrequenzquelle 16 gespeist. Zum Zweck der Regelung der der Antenne
zugeführten Energie ist ein Übertragungsleitungsabschnitt 17 mit einem Kurzschlußstab
18 mit den Leitern i i und 12 verbunden, wobei die Übertragungsleitung 15 zwischen
dem Kurzschlußstal> und den Leitern angeschlossen ist. Wenn jedoch die Energieübertragung
und die Abstimmung durch das Antennensystem selbst bewirkt wird, ist diese Kopplungsanordnung
selbstverständlich entbehrlich.
-
Es wurde festgestellt, daß die durch die gestrichelte Kurve i9 dargestellte
Spannungsverteilung auftritt, wenn der Leiter io praktisch eine halbe Wellenlänge
lang ist. Diese Tatsache läßt sich folgetldermaßen erklären: Die den, einzelnen
Leitern i i und 12 zugeführte Energie hat eine entgegengesetzte Phase, so daß infolge
der kapazitiven Elemente 13 und 14 in den äußeren Leiter Wanderwellen entgegengesetzter
Polarität induziert werden, die sich in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen
(s. Pfeile 20 und 21). Die Wanderwellen stoßen in der Antennenmitte zusammen. Da
sie aber praktisch gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase aufweisen, heben
sie sich gegenseitig auf, so daß der Strom in der Antennenmitte Null ist. Diese
Erscheinung tritt nur dann ein, wenn die beiden Leiter i i und 12 in der Mittelachse
des Leiters io liegen. Ist dagegen dieser Leiter länger als eine halbe Wellenlänge,
so erhält man die Stromverteilung gemäß der ausgezogenen Kurve 22. Diese Kurve hat
in der Antennenmitte einen Strombauch und in einer Entfernung von einer viertel
Wellenlänge von der Antennenmitte Nullstellen. Trotz der günstigen Stromverteilung
weist also die Antenne an ihren Enden eine erhebliche Spannung auf. Es sind daher
verhältnismäßig große Isolatoren notwendig, um eine hinreichende Isolation zwischen
den Elementen 13 und 14 und dem Leiter io zu erzielen.
-
Die Anordnung nach Fig. 2 zeigt eine ähnliche Konstruktion wie die
in Fig. i dargestellte. Der Unterschied besteht lediglich darin, statt eines einzelnen
durchgehenden Leiters io zwei Leiter loA und ioB vorzusehen und diese in der Mitte
durch einen Isolierring 23 gegeneinander zu isolieren. Infolge der isolierten Anordnung
der beiden Leiter tritt in diesem mittleren Punkt keine Aufhebung der einzelnen
Komponenten auf, es bildet sich vielmehr eine Stromnullstelle aus, wie es die Kurven
21-4 und 213 veranschaulichen. Diese Anordnung macht zwar Hochspannungsisolatoren
für die Elemente 13 und i.1 überflüssig, benötigt jedoch eine äußerst spannungsfeste
isolierte Befestigung in der Mitte.
-
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung vereinigt die Vorteile der Stromverteilung
des Dipols nach Fig. 2 mit denen der besseren mechanischen Ausbildung der Antenne
nach Fig. i. Die Antennenanordnung entspricht weitgehend der in Fig. i dargestellten,
jedoch ist hierbei an beiden äußeren Enden des Leiters io in einem gewissen Abstand
von diesem je ein weiterer Mantel 24 bzw-. 25 angebracht. Die Mäntel können galvanisch
mit dem Leiter io verbunden sein, so -daß keine Isolatoren notwendig sind.
-
Die äußeren Mäntel 24 und 25 brauchen keine vollen Röhren zu sein,
sondern können lediglich aus einigen rund um den Leiter to angeordneten Drähten
bestehen, welche an einem Ende am Rand des Leiters befestigt sind. Die Verwendung
großer Isolatoren erübrigt sich bei dieser Anordnung.
-
Die äußeren Leiter können von beliebiger Länge sein und brauchen sich
keineswegs bis zur Mitte des Leiters io zu erstrecken (Fig. 3). Es genügt in den
meisten Fällen, wenn sie sich, wie in Fig. 4 gezeigt ist, nur über einen Teil der
Länge des Leiters io erstrecken. Die Spannungsverteilung dieser Anordnung geht aus
den Kurven 22A und 22B hervor.
-
Die in den Fig. 1, 3 und 4 gezeigten Dipolelemente können in einfacher
Weise an einem Mast befestigt werden (Fig.5). Die äußeren Leiter bestehen hier aus
den beiden Leitern ioe und io°, welche an dem Metallmast 30 befestigt sind.
-
Die Energiequelle 16 speist die Antenne über ein Leiterpaar i_;, das
unmittelbar an einer den Aast 30
abschließenden Metallscheibe angebracht
sein kann. Der Kurzschlußstab 31 kann derart eingestellt werden, daß die Übertragungsleitung
15 elektrisch angepaßt ist. Die inneren Leiter i i und 12 können über kurze Verbindungsleitungen
32 und 33, welche den Übertragungsleitungsabschnitt 17 an der gewünschten Stelle
mit der Leitung 15 verbinden, gespeist werden. Statt der kapazitiven Kopplungselemente
am Ende der Leiter i i und 12 sind in der Antenne nach Fig. 5 Spulen 13A und 14-A
vorgesehen, die einerseits mit Innenleitern i i bzw. 12, andererseits mit den Mantelleitern
foc bzw. ioD verbunden sind. Die dargestellte Dipolanordnung benötigt praktisch
keine Isolierteile mit Ausnahme der Isolierkappen34 und 35, welche als Wetterschutz
über den Kopplungsspulen 13-' und i.4-' sowie über den offenen Enden der Leiter
ioc und ioD angeordnet sind.
-
Zur Erzielung der gewünschten Strahlungswirkung kann eine beliebige
Anzahl derartiger Dipolelemente an dem Mast angebracht werden.
-
Es konnte beobachtet werden, daß entsprechend Fig.5 ausgebildete Antennenelemente
durch Eisbildung in ihrer Wirkungsweise nicht beeinträchtigt werden. Bei einem Versuch
wurde festgestellt, daß sogar in einem Extremfall, bei welchem die ganze Antennenanordnung
von einem Eisblock umgeben war, der io cm größer als die Antennenelemente war, keine
merkliche Beeinflussung der Strahlungscharakteristik hervorgerufen wurde.
-
In Fig.6 ist eine Antennenanordnung mit Elementen gemäß Fig.5 dargestellt.
Diese Elemente weisen jedoch kapazitive Kopplungsteile 13 und 14 auf statt der Spulen
nach Fig. 5. Man erkennt deutlich, daß mit dieser Anordnung die ausgestrahlte Energie
der einzelnen Elemente in einfacher Weise durch Verschiebung der Kopplungsstellen
der kurzen Kopplungsleiter 32 und 33 auf den Abschnitten 17 variiert werden kann.
Auch diese Anordnung hat äußerst günstige I-Ligenschaften und bedarf nicht der geringsten
Isolierung. Man erkennt ferner, daß sich eine andere Strahlungsverteilung erzielen
läßt, indem äußere Leiterteile, wie beispielsweise die Teile 24 und 25 der Fig.
3 und 4, auf den Dipolelementen der Fig. 5 und 6 angebracht werden. Diese äußeren
Leiterteile 24 und 25 können an einer mittleren Stelle des Leiters io angebracht
werden, wobei nur die Bedingung besteht, daß zwecks Erhaltung einer günstigen Strahlung
die offenen Enden dieser äußeren Leiter zur Anteilnenmitte zeigen.
-
Unter Beachtung der Erkenntnis, daß Mastantennen als Halbdipole aufgefaßt
werden können, dessen ergänzender Halbdipol imaginär ist und spiegelbildlich unter
der Erdoberfläche liegt, ist leicht einzusehen, daß sich die an Hand der Fig. i
bis 6 beschriebenen, an Dipolen vorzunehmenden erfindungsgemäßen Maßnahmen in entsprechender
Weise auch an Mastantennen durchführen lassen. Fig. 7 zeigt eine Mastanordnung,
bei der die Hochfrequenzquelle 4o über die Übertragungsleitung41 mit dem kapazitiven
Element 42 verbunden ist. Dieser Leiter 41 verläuft im Innern des leitenden Mastes
43, welcher unmittelbar und leitend auf der Erdoberfläche befestigt ist, und zwar
von einer unteren Stelle des Mastes 43 bis über diesen hinaus. Die Stromverteilung
dieser Anordnung geht aus der Kurve 4.4 hervor. Man erkennt, daß der Wellenbauch
am Fußpunkt liegt und daß die Antenne aus diesem Grunde für Rundfunkzwecke meistens
nicht geeignet ist.
-
Eine günstigere Verteilung wird bei einer Anordnung nach Fig. 8 erzielt,
worin der leitende Mast 43 mittels der Isolatoren 45 getragen wird. Diese Anordnung
hat jedoch den Nachteil, daß der schwere Mast 43 auf Isolatoren gestellt werden
muß und die Anordnung daher verhältnismäßig kostspielig wird. Kurve 4.4 zeigt hier
die Stromverteilung.
-
Fig. 9 stellt eine verbesserte :Mastantenne dar, bei welcher der äußere
Leiter 47 reusenartig ausgebildet ist und aus einer Anzahl gespannter Drähte bestehen
kann, welche oben an dem Mast befestigt sind. Es können hierbei einfache Zugisolatoren
48 verwendet werden, welche nicht das ganze Gewicht des Mastes zu tragen brauchen,
wie es bei den Antennen nach Fig. 8 der Fall ist.
-
Die Antenne nach Fig. io weist gegenüber der nach Fig. 9 nur den Unterschied
auf, daß die äußere Leiteranordnung sich nur über einen Teil des Mastes erstreckt.
Es ergibt sich hierdurch ein höheres Strahlungszentrum als bei der Anordnung nach
Fig.9, was oft erwünscht ist.
-
Die Antenne nach Fig. i i ist mit äußeren Leitern 47 versehen, die
an einer Stelle unterhalb der Spitze des Mastes 43 befestigt sind und über eine
Impedanz 5o mit Erde verbunden sein können. Es ist zusätzlich ein Blitzableiter
51 dargestellt, der sich über der Platte 42 hinaus erstreckt und direkt mit dem
geerdeten Mast 43 verbunden ist. Dieser Blitzableiter ragt durch eine Öffnung im
kapazitiven Element 42 hindurch.
-
Die einzelnen Merkmale der Einrichtung nach Fig.7 und 8 lassen sich
je nach Bedarf miteinander kombinieren, so daß sich zahlreiche Variationen in der
Konstruktion von erfindungsgemäß ausgebildeten Antennen bilden lassen.
-
Es wurde festgestellt, daß die Strahlungsverteilung bei Verwendung
von Strahlern großen Durchmessers zu wünschen übrigläßt. Die hierbei auftretenden
Abweichungen im Strahlungsdiagramm finden folgende an Hand der verschiedene Strahlungsdiagramme
darstellenden Fig. 12 zu erklärende Ursache. Das Strahlungsdiagramm eines Strahlers
mit großem Durchmesser weicht stark vom theoretischen, der Länge des Elementes entsprechenden
Verlauf ab. Ein solcher Strahler mit großem Durchmesser weist zwar den. Vorteil
eines großen Strahlungswiderstandes und geringer Verluste auf, sein Strahlungsdiagramm
zeigt jedoch keine ausgeprägten Minima wie das eines dünnen Strahles.
-
Diese Erscheinung ist in Fig. 12 veranschaulicht. Hierbei ist angenommen,
daß jedes der beiden Elemente 5o und 51 eines Dipols etwas länger ist als eine halbe
Wellenlänge. Die das Strahlungsdiagramm für jede Dipolhälfte erzeugende Energie
wird durch zwei Wanderwellen hervorgerufen, von denen sich die eine von innen nach
außen fortpflanzt und die andere durch Reflektion dieser Welle am
Ende
ansteht, also in entgegengesetzter Richtung wandert. Es sei hierzu auf den Artikel
«ADiscussion of Methode Employed in Calculations of the Electromagnetic Field of
Radiating Con.ductors» von A. A 1 f o r d in der Zeitschrift «Electrical Communication»,
Juli 1936, Nr. i, Bd. 15 verwiesen, in welchem ein Verfahren zur Berechnung des
elektromagnetischen Feldes eines strahlenden Leiters unter Berücksichtigung von
Wanderwellen ausführlich erläutert ist.
-
In der linken Kolonne der Fig. 12 sind Strahlungsdiagramme äußerst
dünner Strahler und in der rechten Kolonne solche von Strahlern größeren Durchmessers
dargestellt. Die Teilfiguren i2A zeigen die durch die Vorwärtswellen, die Teilfiguren
121) .die durch die reflektierten Wellen des Strahlerelementes 50, 51 hervorgerufenen
Strahlungsdiagramme. Es läßt sich hieraus ersehen, daß die Diagramme f1, f2 und
F1, F2 (Fig. i2A) der beiden verglichenen Antennen nahezu gleich sind, während die
Diagramme b1, b2 und B1, B2 (Fig. 12 B) in ihrer Größe wesentlich voneinander abweichen,
weil die reflektierte Welle der Antenne großen Durchmessers wegen ihres erhöhten
Strahlungswiderstandes eine relativ geringe Amplitude hat. Die Diagramme f1, f2
und b1, b2 weisen im Idealfall (Strahlerdurchmesser = o) gleiche Größe und Form,
aber unterschiedliche Richtung (spiegelbildlich zur Senkrechten) auf.
-
Bei Kombination der durch die Vorwärts- und Rückwärtswellen hervorgerufenen
Strahlungsdiagramme (Fig.12 C) entsteht deswegen für den dünnen Strahler ein symmetrisches
Diagramm cl, c2. Für den Strahler großen Durchmessers dagegen sind die beiden Hälften
des Strahlungsdiagrammes C,, C2 gegeneinander geneigt: Die beiden Hälften cl, c2
des Strahlungsdiagrammes erzeugen zusammen das resultierende Strahlungsdiagramm
dl (Fig. 12D). Wegen der konstanten Länge der Strecken x1, y1, x2 und y2 hebt sich
die Strahlung in diesen Richtungen auf, so daß eine große und zwei kleine Keulen
hervorgerufen werden, die durch ausgepreßte Nullstellen getrennt sind. Beim Strahler
großen Durchmessers dagegen sind die Längen von X1, Y1 und X2, Y2 nicht gleich;
es findet also in diesen Richtungen keine vollkommene Aufhebung der Strahlung statt.
Das resultierende Strahlungsdiagramm Dl ist daher in der Hauptrichtung etwas kleiner
und weist keine Nullstellen auf.
-
Wegen der relativ großen Länge der X1, Y1 sind die Nebenkeulen dieses
Strahlungsdiagrammes bedeutend größer als beim dünnen Strahler.
-
Man erkennt, daß diese Erscheinung der Erzeugung einer günstigen Strahlungsverteilung
beispielsweise für Mastantennen, welche länger als eine halbe Wellenlänge sind,
entgegenwirkt. Es wurde festgestellt, daß die Raumwelle bei der Verwendung von verhältnismäßig
hohen Masten übertrieben groß wurde und es praktisch unmöglich war, diese auf den
gewünschten Wert zu verkleinern.
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es jedoch, die beschriebenen
Nachteile der Strahler großen Durchmessers zu reduzieren oder vollkommen zu eliminieren.
In diesem Zusammenhang sei die Dipol -antenne nach Fig. 13 betrachtet, die von einer
Hochfrequenzquelle 6o gespeist wird und aus den inneren Leitern i i und. 12 besteht
mit den Kopplungselementen 13 und 1,4, welche den inneren Leiter mit dem äußeren
Leiter io-1 bzw. ioc koppeln. Entsprechend dem vorher Gesagten ruft die den Leitern
i i und 12 zugeführte Energie einen Wanderwellenfluß in den äußeren Leitern ioA,
loc gegen die Antennenmitte hervor. Speist man also die äußeren Leiter direkt aus
der Quelle 6o, so kann die Spannung der inneren Leiter über den Kopplungskapazitäten
derart geregelt -,werden, daß eine Kompensierung des Energieverlustes der reflektierten
Wellen erfolgt. Dadurch kann das Strahlungsdiagramm in jede beliebige Form gebracht
werden. Es wurde beobachtet, daß eine Anordnung nach Fig. 14 eine praktisch vollständige
Kompensierung der Dämpfung der reflektierten Welle im äußeren Leiter bewirkte. Die
Anordnung nach Fig. 14 entspricht im wesentlichen der nach Fig. 13, sie weist jedoch
keine Verbindung der Leiter 17 mit der Speiseleitung auf. Man erkennt, daß eine
praktisch vollständige Kompensierung durch eine Abstimmanordnung 17 der inneren
Leiter für eine Mastantenne der beschriebenen Art oder in einer Dipolanordnung gemäß
Fig. 14 erfolgen kann. Diese Anordnung kann außerdem zur Erzielung einer Stromumkehrung
im strahlenden Leiter benutzt werden.
-
Die Anordnung nach Fig. 14 eignet sich besonders gut für Mastantennen.
Fig. 15 stellt eine solche Mastantenne mit einem inneren Mast 43 und einer äußeren
Leiteranordnung47 dar. Der Innenleiter41 liegt im Innern des Mastes 43 und ist mit
der Hochfrequenzquelle 6o verbunden. Der Mast 43 ist unmittelbar auf der Erde angebracht
und elektrisch mit dieser verbunden. Eine durch den Kondensator 63 dargestellte
Impedanzanpassungsvorrichtung verbindet das untere Ende des Leiters 41 mit der Erde.
Das kapazitive Element 42 ist mit dem oberen Ende des inneren Leiters 41 verbunden
und mittels kleiner Isolatoren 65 vom Mast 43 getrennt. Der Kondensator63 kann derart
gewählt werden, daß eine günstige horizontale Energieverteilung erhalten wird.
-
Die Fig. 16 zeigt ein weiteres Beispiel einer derartigen Mastantenne.
Der Unterschied dieser Antenne gegenüber der nach Fig. 15 besteht darin, daß der
innere Leiter nicht als Einzelleiter sondern als Doppelübertragungsleitung 41A ausgebildet
ist. Diese Übertragungsleitung kann in ihrem unteren Ende unmittelbar mit der Erde
verbunden sein, während ein Kondensator 63, welcher an irgendeines Stelle mit der
Leitung verbunden ist, die Abgleichung bewirkt. Da die innere Übertragungsleitung
41A aus der Spannungsquelle 6o keine Energie bezieht, ist es gleichgültig, wie viele
Leiter vorgesehen sind. Die Übertragungsleitung 41A kann also als Speiseleitung
aus einer anderen Quelle 70 verwendet werden, welche eine höhere Frequenz
als Quelle 6o aufweisen kann. Durch die geeignete Wahl der Verbindungsstelle der
Quelle 70 mit der Leitung 41A in bezug auf die Kurzschlußstelle an der Erde
kann die
richtige lmpedanzanpassung an die Leitung 41-' erfolgen.
Der Kurzwellenstrahler 72 kann dann auf dem kapazitiven Element 42 befestigt werden.
Der Blitzableiter 51 ist am Mast 43 befestigt und erstreckt sich bis über die Strahler72.
-
Der äußere Leiter 47 ist selbstverständlich entbehrlich (entsprechend
Fig.7). Er kann auch in irgendeiner der in den Fig.7 bis ii dargestellten Ausführungen
ausgebildet sein.