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Richtantenne, bestehend aus einer Anzahl elektrisch unterteilter
Einzelstrahler
EMI1.1
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imgelöst, dass sie aus einer Anzahl einander paralleler, im wesentlichen linearer, schlanker,. elektrisch unter- teilter Einzelstrahler aufgebaut ist, deren Tiennstellen durch elektrische Verbindungsstucke überbrückt sind, und dass die Verbindungsstücke zwisohendenEndender Teilstücke eingeschaltete dhmsche Widerstände enthalten. Mit den ohmschen Widerständen können Blindwiderstände, vorzugsweise Induktivitäten, in Reihe oder parallel geschaltet sein. Bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Richtantenne ergab sich die überraschende Tatsache, dass der bisher so störende Einfluss der Strahlungskopplung praktisch ausgeschaltet ist.
Der Fusspunktswiderstand weist für eine beliebige Gruppe von Einzelstrahlern imwesentlichendas gleiche Mass von Unabhängigkeit von der Frequenz auf wie bei einem Einzelstrahler und ist auch im we- sentlichen unabhängig von den gegenseitigen Abständen der Strahler. Das resultierende Strahlungsdiagramm kann für eine solche Richtantenne ohne Berücksichtigung zusätzlicher, durch Strahlungskopplung verursachter Phasenverschiebungen der Strahlerströme durch einfache Superposition der Einzelfeldstärken im Fernpunkt ermittelt werden.
Diese Erscheinung hat umgekehrt zur Folge, dass aus solchen Einzelstrahlern eine breitbandige Richtantenne zusammengesetzt werden kann, ohne dass bei Berechnung der Richtdia- gramme und damit auch der Antennengewinne und bei der Anpassung an die Anschlussleitung die Strah- lungskopplung berücksichtigt zu werden braucht. Dieser Vorteil ist für die Zusammenstellung von Richt- antennen aus Einzelstrahlern von so grosser Bedeutung, dass dafür ein gewisser Energieverlust in den die
Trennstellen überbrückenden ohmschen Widerständen in Kauf genommen werden kann. Dieser Verlust kann bei den tieferen Frequenzen des Arbeitsfrequenzbereiches durch parallel zu den ohmschen Wider- ständen eingeschaltete, vorzugsweise in Spulenform ausgebildete Induktivitäten verringert werden.
Die Richtantenne nach der Erfindung ist vorzugsweise für die Verwendung zu Empfangszwecken be- stimmt. Dabei machen sich die bei höheren Frequenzen durch die eingeschalteten Widerstände entstc- henden Verluste überhaupt. nicht störend bemerkbar. Das in der Atmosphäre vorhandene Rauschen im
Lang- und Kurzwellengebiet ist stets so gross, dass trotz dieser Verluste der atmosphärische Störpegel weit über dem Eigenrauschen eines modernen Empfängers bleibt. Die Richtantenne nach der Erfindung kann aber auch wegen der angegebenen Vorteile bei ihrer Zusammenstellung und wegen ihres grossen Arbeits- frequenzbereiches für Sendezwecke verwendet werden. Wegen dieser Vorteile ist es in vielenFällen durch- aus lohnend, dafür einen gewissen Leistungsverlust hinzunehmen.
Es sei erwähnt, dass aus der deutschen Patentschrift 861878 bereits eine einfache Rundstrahlantenne bekannt ist, welche aus einem einzigen im wesentlichen linearen, schlanken, elektrisch unterteilten Ein- zelstrahler besteht, dessen Trennstellen durch elektrische Verbindungsstücke überbrückt sind, welche zwischen den Enden der Tssilstücke der Strahler eingeschaltete ohmsche Widerstände enthalten. Derartige Rundstrahlantennen sind jedoch noch nicht als Elemente für die Zusammenstellung von Richtantennen verwendet worden.
Es ist ferner zu erwähnen, dass zur Verwendung innerhalb eines breiten Arbeitsfrequenzbereiches auch rundstrahlende Einzelantennen bekannt sind, bei denen die guten Breitbandeigenschaften im wesentlichen durch Anwendung grosser Strahlerquerschnitte im Verhältnis zur Strahlerlänge erzielt wurden. Solche Strahlerformen sind nach der deutschen Patentschrift 861881 auch als Drahtreusen ausgebildet worden.
Zur weiteren Verbesserung ihrer Breitbandeigenschaften hat man an ihrem freien Ende eine sogenannte Dachkapazität über einen ohmschen Widerstand angeschlossen. Wegen der grossen. Dicke dieser Strahler ist ihre Verwendung in Richtantennen jedoch nicht vorteilhaft. Der rein mechanische Aufwand ist für eine Antenne mit vielen Einzelstrahlern sehr hoch.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 als einfachste Ausführungsform einer nach der Erfindung ausgebildeten Richtantenne eine Anordnung mit zwei Einzelstrahlern A und A dargestellt. Jeder Einzelstrahler bildet für sich allein eine Rundstrahlantenne der aus der deutschen Patentschrift 861878 bekannten Art. Jeder Strahler A bzw. A besteht aus einem schirmartigen Oberteil 1, welcher wie eine Dachkapazität wirkt, und den im wesentlichen linearen Strahlerteilen 2 und 3, deren Achsen auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Die Trennstelle zwischen dem schirmartigen Oberteil und dem Strahlerteil 2 ist durch den ohm- schen Widerstand 4 überbrückt, mit dem eine Induktivität 6 in Reihe geschaltet sein kann.
Zwischen den Enden der Strahlerteile 2 und 3 liegt der ohmsche Widerstand 5 und parallel zu diesem die Induktivität 7.
Zwischen jedem Strahlerfusspunkt und Erde ist die eine Wicklung eines Breitband-Hochfrequenztransformators 8 eingeschaltet, dessen andere Wicklung mit den beiden Leitern der Anschlussleitung 9 verbunden ist. Mit den Leitern der Leitung 9 sind die Leiter der Leitung 32 verbunden, welche an die eine Wicklung des Breitband-Hochfrequenztransformators 33 angeschlossen sind, dessen andere Wicklung mit den Klemmen des Funkgerätes 34 (Empfänger oder Sender) in Verbindung steht. Die Ausbildung des Strahleroberteiles 1 in Form eines Schirmes ist in dem hier betrachteten Zusammenhang nicht von wesentlicher Bedeutung. Dieser Teil könnte auch weggelassen werden, oder durch einen linearen Strahlerteil nach Art
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der Teile 2 und 3 ersetzt werden. Es ist ersichtlich, dass bei tiefen Frequenzen die Induktivität 7 den Widerstand 5 nahezu kurzschliesst.
Dadurch wirken die Strahlerteile 2 und 3 wie ein einfacher, linearer Strahler, an dessen oberes Ende über den Widerstand 4 eine Dachkapazität angeschlossen ist, da bei den tiefen Frequenzen auch die Induktivität 6 keinen wesentlichen Blindwiderstand bildet. Bei höheren Frequenzen wird der Widerstand 5 wirksam, weil der Blindwiderstand der Induktivität 7 ansteigt. Gleichzeitig wird der obere Strahlerteil 1 unwirksam, weil auch der Blindwiderstand der Serieninduktivität 6 sich erhöht.
Durch systematische Versuche kann in jedem Fall eine Bemessung der Widerstände 4 und 5 sowie der Induktivitäten 6 und 7 ermittelt werden, bei der der Fusspunktwiderstand eines solchen Einzelstrahlers Al bzw. A über einen sehr grossen Frequenzbereich nahezu konstant bleibt und gleichzeitig im Vertikaldiagramm keine Nullstellen mehr nachweisbar sind, obwohl in gewissen Frequenzbereichen die räumliche Länge der Strahler grösser als eine halbe Wellenlänge ist. Für die Erklärung dieser Wirkung steht noch keine theoretisch-rechnerische Darstellung zur Verfügung. Infolgedessen kann auch die Bemessung- ! : egel für die genannten Widerstände und Induktivitäten explizit nicht angegeben werden.
Die richtige Bemessung wird daher, wie in der Antennentechnik vielfach üblich, empirisch ermittelt, Bei einem praktisch erprobten Einzelstrahler mit einem Aufbau, wie er sich aus Fig. 1 für jeden der beiden Einzelstrahler A und A ergibt, hatten die genannten Teile folgende Grössen :
EMI3.1
<tb>
<tb> Widerstand <SEP> 4 <SEP> : <SEP> : <SEP> :
<SEP> 300 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 5 <SEP> = <SEP> 300 <SEP> Ohm
<tb> Induktivität <SEP> 6 <SEP> = <SEP> 2, <SEP> 1 <SEP> pH <SEP>
<tb> Induktivität <SEP> 7 <SEP> = <SEP> 8 <SEP> pH <SEP>
<tb>
Bei dieser Bemessung ergibt sich für jeden Einzelstrahler zwischen 4 und 25 MHz ein nahezu konstanter Fusspunktwiderstand und eine cosinusförmige Vertikalcharakteristik.. Obwohl man, wie erwähnt, noch nicht über eine Theorie zur Erklärung dieser Wirkungen verfügt, kann doch angenommen werden, dass auf dem Strahler ein hoher Anteil fortschreitender Wellen vorhanden und diese Tatsache für die Auflüllung der Nullstellen im Vertikaldiagramm entscheidend ist.
Praktische Versuche haben nun die überraschende Tatsache ergeben, dass die Unveränderlichkeit des Fusspunktswiderstandes in vollem Masse erhalten bleibt, wenn man entsprechend der Erfindung eine Richtantenne aus einer Anzahl solcher Einzelstrahler, im einfachsten Falle aus zwei Einzelstrahlern A und A nach Fig. 1, vorzugsweise aber mit einer grösseren Anzahl von Einzelstrahlern, etwa nach dem Schema der Fig. 2 verwendet. Dabei ergeben sich die schon erwähnten Vorteile bei der Bestimmung des resultierenden Strahlungsdiagrammes und des Antennengewinnes. In Fig. 2 sind mit 10 - 17 insgesamt acht einander geometrisch parallele Einzelstrahler bezeichnet, von denen jeder nach dem Schema der Strah- ler A bzw. A in Fig. 1 aufgebaut sein kann.
Die Einzelstrahler sind an ihren Fusspunkten durch die Breitband-Hochfrequenztransformatoren 18-25 zunächst paarweise zusammengefasst. Die weitere Zusammen- fassung der Anschlussleitungen der Strahlergruppen erfolgt über die Transformatoren 26-29 und schliesslich über den Transformator 30. Die Übersetzungsverhältnisse der Transformatoren sind nach bekannten Grundsätzen so gewählt, dass sich an der gemeinsamen Anschlussleitung 31, an welche das Funkgerät 34 angeschlossen ist, ein Anpassungswiderstand in der Grösse des Wellenwiderstandes einer üblichen Hochfrequenzleitung ergibt, beispielsweise 60 Ohm.
Die auf diese Weise entsprechend der Erfindung ausgebildete Richtantenne hat in der Horizontalebene bei richtiger Wahl der Strahlerabstände ein nach zwei Seiten weisendes lanzettartiges Diagramm. In jeder Vertikalebene wird das Diagramm angenähert durch eine cos-Kurve dargestellt. Das Anschlussschema kann natürlich auch geändert werden. Beispielsweise können an Stelle der vier Transformatoren 26 - 29 mit einem Widerstandsübersetzungsverhältnis von 2 : 1 auch zwei Transformatoren mit einem Übersetzungsverhältnis von 4 : 1 eingesetzt und die Einzelstrahler zuerst in Vierergruppen zusammengefasst werden,
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf einzelne Zeilen von Strahlern beschränkt. Vielmehr können beliebige räumliche Anordnungen verwendet werden.
Auch ist die gleichphasige Speisung der Strahler kein notwendiges Merkmal einer nach der Erfindung ausgebildeten Richtantenne. An Stelle elektrisch unterteilter unsymmetrischer Strahler können auch entsprechende symmetrische Strahler verwendet werden.
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Directional antenna, consisting of a number of electrically subdivided
Single emitter
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im resolved that it consists of a number of parallel, essentially linear, slender,. is built up electrically subdivided individual radiators, the tiennstellen are bridged by electrical connecting pieces, and that the connecting pieces between the ends of the sections contain switched-on Dhmic resistors. Reactors, preferably inductors, can be connected in series or in parallel with the ohmic resistors. In the case of a directional antenna designed according to the invention, the surprising fact arose that the previously so disruptive influence of radiation coupling is practically eliminated.
For any group of individual radiators, the base point resistance has essentially the same degree of independence from the frequency as for an individual radiator and is also essentially independent of the mutual spacing of the radiators. The resulting radiation diagram can be determined for such a directional antenna without taking into account additional phase shifts of the radiator currents caused by radiation coupling by simply superposing the individual field strengths at the far point.
Conversely, this phenomenon has the consequence that a broadband directional antenna can be assembled from such individual radiators without the radiation coupling having to be taken into account when calculating the directional diagrams and thus also the antenna gains and when adapting to the connection line. This advantage is so important for the assembly of directional antennas from individual radiators that there is a certain loss of energy in the
Separation points bridging ohmic resistances can be accepted. This loss can be reduced at the lower frequencies of the working frequency range by inductances which are switched on in parallel to the ohmic resistors and are preferably designed in the form of coils.
The directional antenna according to the invention is preferably intended for use for receiving purposes. The losses that arise at higher frequencies due to the switched-on resistors are actually eliminated. not disturbing noticeable. The noise in the atmosphere in the
The long and short wave area is always so large that, despite these losses, the atmospheric interference level remains far above the intrinsic noise of a modern receiver. The directional antenna according to the invention can, however, also be used for transmission purposes because of the stated advantages in its configuration and because of its large operating frequency range. Because of these advantages, it is in many cases worthwhile to accept a certain loss of performance.
It should be mentioned that a simple omnidirectional antenna is already known from German patent specification 861878, which consists of a single, essentially linear, slim, electrically subdivided individual radiator, the separating points of which are bridged by electrical connecting pieces which are placed between the ends of the radiator parts Switched ohmic resistors included. Such omnidirectional antennas have not yet been used as elements for assembling directional antennas.
It should also be mentioned that omnidirectional individual antennas are also known for use within a broad operating frequency range, in which the good broadband properties are essentially achieved by using large radiator cross-sections in relation to the radiator length. According to German patent specification 861881, such radiator shapes have also been designed as wire traps.
To further improve its broadband properties, a so-called roof capacitor has been connected to its free end via an ohmic resistor. Because of the big. However, their use in directional antennas is not advantageous due to the thickness of these radiators. The purely mechanical effort is very high for an antenna with many individual radiators.
In the drawing, an arrangement with two individual radiators A and A is shown in FIG. 1 as the simplest embodiment of a directional antenna designed according to the invention. Each individual radiator alone forms an omnidirectional antenna of the type known from German patent specification 861878. Each radiator A or A consists of an umbrella-like upper part 1, which acts like a roof capacity, and the essentially linear radiator parts 2 and 3, their axes on one common straight lines. The separation point between the umbrella-like upper part and the radiator part 2 is bridged by the ohmic resistor 4, with which an inductance 6 can be connected in series.
The ohmic resistor 5 lies between the ends of the radiator parts 2 and 3 and the inductance 7 is parallel to it.
One winding of a broadband high-frequency transformer 8 is connected between each radiator base point and earth, the other winding of which is connected to the two conductors of the connecting line 9. With the conductors of the line 9, the conductors of the line 32 are connected, which are connected to one winding of the broadband high-frequency transformer 33, the other winding of which is connected to the terminals of the radio 34 (receiver or transmitter). The design of the radiator upper part 1 in the form of a screen is not of essential importance in the context considered here. This part could also be left out or replaced by a linear radiator part according to Art
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parts 2 and 3 are replaced. It can be seen that at low frequencies the inductance 7 almost short-circuits the resistor 5.
As a result, the radiator parts 2 and 3 act like a simple, linear radiator, at the upper end of which a roof capacitance is connected via the resistor 4, since the inductance 6 also does not form a substantial reactance at the low frequencies. At higher frequencies the resistor 5 becomes effective because the reactance of the inductor 7 increases. At the same time, the upper radiator part 1 becomes ineffective because the reactance of the series inductance 6 also increases.
In any case, systematic tests can be used to measure the resistances 4 and 5 and the inductances 6 and 7, in which the base resistance of such an individual radiator Al or A remains almost constant over a very large frequency range and at the same time no zeros can be detected in the vertical diagram although in certain frequency ranges the spatial length of the radiators is greater than half a wavelength. There is as yet no theoretical and computational representation available to explain this effect. As a result, the dimensioning! : egel for the mentioned resistances and inductances are not explicitly stated.
The correct dimensioning is therefore determined empirically, as is often the case in antenna technology. In a practically tested individual radiator with a structure as shown in Fig. 1 for each of the two individual radiators A and A, the parts mentioned had the following sizes:
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<tb>
<tb> Resistance <SEP> 4 <SEP>: <SEP>: <SEP>:
<SEP> 300 <SEP> ohms
<tb> Resistance <SEP> 5 <SEP> = <SEP> 300 <SEP> Ohm
<tb> Inductance <SEP> 6 <SEP> = <SEP> 2, <SEP> 1 <SEP> pH <SEP>
<tb> Inductance <SEP> 7 <SEP> = <SEP> 8 <SEP> pH <SEP>
<tb>
This dimensioning results in an almost constant base point resistance and a cosine-shaped vertical characteristic for each individual radiator between 4 and 25 MHz. Although, as mentioned, there is still no theory to explain these effects, it can be assumed that a There is a high proportion of advancing waves and this fact is decisive for filling the zeros in the vertical diagram.
Practical tests have now shown the surprising fact that the immutability of the base point resistance is fully preserved if, according to the invention, a directional antenna from a number of such individual radiators, in the simplest case from two individual radiators A and A according to FIG. 1, but preferably with a larger number of individual radiators, for example according to the scheme of FIG. This results in the advantages already mentioned when determining the resulting radiation diagram and the antenna gain. In FIG. 2, a total of eight geometrically parallel individual radiators are designated by 10-17, each of which can be constructed according to the scheme of radiators A or A in FIG.
The individual radiators are initially combined in pairs at their base points by the broadband high-frequency transformers 18-25. The connection lines of the radiator groups are further combined via the transformers 26-29 and finally via the transformer 30. The transformation ratios of the transformers are selected according to known principles so that on the common connection line 31 to which the radio device 34 is connected, a matching resistance in the size of the wave resistance of a conventional high-frequency line results, for example 60 ohms.
The directional antenna formed in this way according to the invention has a lancet-like diagram pointing to two sides in the horizontal plane with the correct choice of the radiator spacings. The diagram is represented approximately by a cos curve in each vertical plane. The connection diagram can of course also be changed. For example, instead of the four transformers 26-29 with a resistance transformation ratio of 2: 1, two transformers with a transformation ratio of 4: 1 can also be used and the individual radiators first grouped into groups of four,
The application of the invention is not restricted to individual rows of radiators. Rather, any spatial arrangements can be used.
The in-phase supply of the radiators is also not a necessary feature of a directional antenna designed according to the invention. In place of electrically subdivided asymmetrical radiators, corresponding symmetrical radiators can also be used.