DE102008003532A1

DE102008003532A1 - Antenne für den Satellitenempfang

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Publication number: DE102008003532A1
Application number: DE102008003532A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US20090073072A1; US7936309B2

Abstract

Antenne (1) für den Satellitenempfang bestehend aus Leiterelementen (Δ₁, Δ₂, ...) und mindestens einer Antennenanschlussstelle (3) dadurch gekennzeichnet, dass es durch die Gestaltung der Leiterelemente (Δ₁, Δ₂, ...) der Antenne (1) gegeben ist, dass bei Einspeisung der Sendeleistung an mindestens einer der Antennenanschlussstellen (3) der im Fernfeld erzeugte elektrische Feldstärkevektor

in jedem Punkt P des Raumes zu jedem Zeitpunkt t längs einer für diesen Punkt P des Raumes spezifischen, feststehenden geraden Linie G polarisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne 1 für den Satellitenempfang bestehend aus Leiterelementen und einer Antennenanschlussstelle.
Insbesondere bei Satelliten-Rundfunksystemen kommt es dabei besonders auf die Wirtschaftlichkeit sowohl bezüglich der vom Satelliten abgestrahlten Sendeleistung als auch der Effizienz der Empfangsantenne an. Satellitenfunksignale werden aufgrund von Polarisationsdrehungen auf dem Übertragungswege in der Regel mit zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen übertragen. Vielfach werden Programminhalte zum Beispiel in frequenzmäßig dicht nebeneinander liegenden getrennten Frequenzbändern übertragen. Dies geschieht im Beispiel des SDARS-Satellitenrundfunks bei einer Frequenz von circa 2,3 GHz in zwei benachbarten Frequenzbändern der jeweiligen Bandbreite von 4 MHz mit einem Abstand der Mittenfrequenzen von 8 MHz bzw. 4 MHz. Die Signale werden von unterschiedlichen Satelliten mit in einer Richtung zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen abgestrahlt. Demzufolge werden zum Empfang in der entsprechenden Richtung zirkular polarisierte Antennen verwendet. Solche Antennen sind zum Beispiel aus der DE 4008505.8 und der DE 10163793.4 bekannt. Dieses Satelliten-Rundfunksystem wird zusätzlich durch die bereichsweise Ausstrahlung terrestrischer Signale in einem weiteren, zwischen den beiden Satellitensignalen angeordneten Frequenzband gleicher Bandbreite unterstützt.
Bei einem Satelliten Rundfunksystem, bei welchem Signale in frequenzmäßig dicht nebeneinander liegenden Frequenzbändern etwa gleicher Breite übertragen werden, die zirkular polarisierten Wellen jedoch mit zu einander entgegen gesetzten Drehrichtungen ausgestrahlt werden, müssten demzufolge für den Empfang der beiden Frequenzbänder unterschiedlich zirkular polarisierte Antennen zum Beispiel nach den Muster der aus der DE 4008505.8 und der DE 10163793.4 bekannten Ausführungsformen eingesetzt werden. Insbesondere für den Empfang in Fahrzeugen ist der Einsatz mehrerer Antennen mit getrennten Leitungen zum Empfänger beziehungsweise der Einsatz einer komplizierten Umschalteinrichtung zum selektiven Empfang des einen oder des anderen Signals wirtschaftlich aufwändig und damit nachteilig. Eine getrennte Verarbeitung anhand frequenzselektiver Maßnahmen der beiden Frequenzbänder innerhalb ein und derselben Antenne ist aufgrund der hohen Selektionsforderung mit wirtschaftlichen Mitteln nicht erreichbar.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Antenne anzugeben, welche für den Empfang der in beiden Satelliten-Frequenzbändern ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen mit linksdrehender (LHCP) und rechtsdrehender zirkularer Polarisation (RHCP) an einer Antennenanschlussstelle eine gleiche geeignete Strahlungscharakteristik besitzt und wirtschaftlich gestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Antenne nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und die in den weiteren Ansprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen gelöst.
Obwohl die erfindungsgemäße Aufgabe auf eine Empfangsantenne gerichtet ist, sind die Eigenschaften der Antenne aus Gründen der besseren Nachvollziehbarkeit für den Sendefall beschrieben, welche aufgrund der naturgemäß geltenden Reziprozitätsbeziehung auf den Empfangsfall zutreffen.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Figuren zeigen im Einzelnen:
1 Frequenzbänder zweier Satelliten-Rundfunksignale mit in unterschiedlichen Richtungen zirkular polarisierter Ausstrahlung in dichter Frequenznachbarschaft.
2 Darstellung des Zusammenhangs zwischen Strom durchflossenen, beliebig orientierten elektrisch sehr kurzen Leiterelementen und den im fernen Aufpunkt erzeugten elektrischen und magnetischen Feldstärkevektoren
3

a) Monopol 7 zur Gestaltung des Vertikaldiagramms mit einer mit einem Blindelement 8 beschalteten Unterbrechungsstelle 5b
b) Vertikaldiagramm für den Empfang im Bereich des Elevationswinkels zwischen 25° und 65°.

4 Satelliten-Empfangsantenne kombiniert mit einer längeren Antenne für den Empfang von AM/FM-Rundfunksignalen.
5

a) Kreisförmige Schleifenantenne 14 mit Kapazitäten 16b
b) Wellenwiderstand Zw der umlaufenden Leitung über der leitenden Grundfläche 6c
c) kreisförmige Ringleitung 14 in konstanter Höhe h über einer leitenden Grundfläche 6 mit fiktivem Spiegelbild.

6 Ausführungsform der Antenne in 5c mit Auskopplung 17 über die symmetrische Zweidrahtleitung 26 außerhalb des Zentrums Z und mit Umsymmetrierglied 29 und Anpassnetzwerk 25
7 Vertikaldiagramm einer Schleifenantenne 14 nach 5c und 6 für

a) links drehende zirkulare Polarisation und
b) rechts drehende zirkulare Polarisation dargestellt.

8 Ausführungsform der Schleifenantenne 14 mit Auskopplung 17. Das Anpassnetzwerk 25 und das Umsymmetrierglied 29 sind auf Ringebene ausgeführt Die Zweidrahtleitung 26 ist im Zentrum Z zur leitenden Grundfläche 6 geführt, wo sie als Mikrostreifenleiter 30 über der Grundfläche 6 zur Anschlussstelle 28 weitergeführt ist.
9 Ausführungsform der Schleifenantenne 14 mit Stabantenne 32 für vertikal polarisiertes Feld im Zentrum Z der horizontalen Schleifenantenne 14 mit Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 zur phasengerechten Überlagerung der horizontal und vertikal polarisierten Feldanteile.
10 Antenne wie in 9 jedoch mit vertikaler Zuleitung 18 zur Speisung der Schleifenantenne 14 als Monopol 7 mit der Schleifenantenne 14 als Dachkapazität 12 an Stelle der Stabantenne 32.
11 Schleifenantenne 14 mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten Antennenanschlussstellen 3 mit horizontaler Zuführung und je einem Anpassnetzwerk 25 mit zentralem Anschluss an eine vertikale Zuführung als Alternative zur einarmigen Zuführung in 10.
12 Ausführungsform mit zweiarmiger Zuführung als Bandleiter 34 zu einer Schleifenantenne 14 mit durch Pfeile gekennzeichneten Stromwegen.
13

a) Symmetrische Ausführungsform einer Antenne nach der Erfindung mit vier in einem Quadrat angeordneten liegenden Dipolen 21 und mit einem zentral im Phasenzentrum B angeordneten Verteilungsnetzwerk 10, dessen Eingang 24 die Anschlussstelle 28 bildet.
b) Symmetrische Ausführungsform einer Antenne nach der Erfindung mit vier in einem Quadrat angeordneten über einer leitenden Grundfläche 6 angeordneten Rahmenantennen 42, deren Rahmenflächen senkrecht zur leitenden Grundfläche 6 orientiert und mit λ/2-Symmetrierleitung 43 symmetrisch zur Grundfläche erregt sind. Jede Rahmenantenne 42 ist jeweils mit einer gleich langen Mikrostreifenleitung 44, ausgehend von der gemeinsamen Anschlussstelle 28 der Antennenanordnung in der Weise gespeist, dass alle horizontalen Rahmenteile dem selben Umlaufsinn folgend erregt sind. Mit in die Rahmenantenne 42 eingebrachten Kapazitäten 16 kann bei azimutalem Runddiagramm die Hauptrichtung des vertikalen Richtdiagramms eingestellt werden.
c) Antennenanordnung wie in 13a jedoch mit einer Überlagerung des Empfangs horizontaler und vertikaler elektrischer Feldkomponenten wie in den 10 und 11. Das Dipolsystem wirkt als Dachkapazität des auf diese Weise gebildeten vertikalen Monopols.

14 Antennnenanordnung nach der Erfindung als Diversity-Empfangsantenne mit einem entsprechend gestalteten Verteilungsnetzwerk 10 zur Erstellung der Verfügbarkeit sowohl der Empfangssignale der Schleifenantenne 14 mit horizontal orientierten Leiterelementen als auch den Empfangssignalen des vertikalen Monopols 7.
15 Antennnenanordnung wie in 10 mit einem extrem einfach als Blindwiderstand 41 realisierbaren Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 über der Grundfläche 6.
16 Antennnenanordnung wie zum Beispiel in den 8 bis 15 mit einer in einer senkrecht zur Grundfläche 6 und symmetrisch bezüglich der Antennenanschlussstelle 3 orientierten Symmetrieebene SE der Antennenanordnung geführten linearen oder flächig gestalteten Antenne 24 für einen weiteren Funkdienst oder mehrere weitere Funkdienste.
17 Kreisgruppenantennenanlage 9 bestehend aus auf dem Umfang eines Kreises K mit jeweils im gleichem Winkelabstand W zueinander benachbart angeordneten vertikal über einer leitenden Grundfläche 6 angeordneten gleichen parasitären Strahlern 11 mit einem im Phasenzentrum B angeordneten stabförmigen Leiter 4 mit Dachkapazität 12, so dass ein Monopol 7 gebildet ist mit Antennenanschlussstelle 3, welche ebenso die Anschlussstelle 28 der Kreisgruppenantennenanlage 9 bildet.
18 Kreisgruppenantennenanlage 9 wie in 17 jedoch mit Monopolen 7 mit jeweils einer Antennenanschlussstelle 3, einem Blindelement 8 und einer elektrischen Leitung 27 zu einem der Ausgänge 23 eines Verteilungsnetzwerk 10, dessen Eingang 24 die Anschlussstelle 28 der Kreisgruppenantennenanlage 9 bildet. Die Antennenanschlussstelle 3 des Monopols 7 ist ebenfalls mit einem der Ausgänge 23 des Verteilungsnetzwerks 10 verbunden.
19

a) Einsatz einer vertikal (32) und einer horizontal (14) polarisierten Antenne nach der Erfindung mit gemeinsamem Phasenzentrum B wie in 9, jedoch mit getrennter Zuführung der Signale zum Anschluss für Vertikalpolarisation 49 beziehungsweise zum Anschluss für Horizontalpolarisation 48 eines Hybridkopplers 45 mit 90° positivem beziehungsweise negativem Phasenunterschied bezüglich des LHCP-Anschlusses 46 und des RHCP-Anschlusses 47 für getrennte Darstellungen von LHCP- beziehungsweise RHCP-Signalen.
b) Antennenanordnung wie in Figur a) jedoch mit einer Realisierung des Monopols 7 gemäß der Antennenanordnung in 10 durch die Kombination der Wirkungen der Schleifenantenne 14 als Dachkapazität und der Zweidrahtleitung 26.

20 Phasengleiche Überlagerung der Empfangsspannungen aus den horizontalen und den vertikalen elektrischen Feldanteilen einer Schleifenantenne und einer in den Strang der vertikalen Zweidrahtleitung 26 eingebrachten Monopolantenne. Mit Hilfe des in einen der Leiter der Zweidrahtleitung 26 eingebrachten Netzwerks 53 erfolgt die Einstellung des Gleichtakt-zu-Gegentakt-Verhältnisses auf der vertikalen Zweidrahtleitung 26, womit das Verhältnis des Anteiles des vertikal polarisierten Feldes mit niederer Elevation der Hauptstrahlrichtung zu dem Anteil des horizontal polarisierten Feldes mit höherer Elevation der Hauptstrahlrichtung eingestellt wird. Dieses Netzwerk 53 kann im einfachsten Fall als eine Kapazität gestaltet werden.
21 Antennenanordnung zur alternativen Auskopplung von RHCP- beziehungsweise LHCP-Signalen mit einer Schleifenantenne 14 mit zwei einander gegenüberliegenden Antennenanschlussstellen 3 und daran angeschlossenen Anpassnetzwerken 25 und einem im Zentrum der Anordnung befindlichen Monopol 7 in Form einer Stabantenne 32. Die Empfangssignale der beiden Antennen werden in einem 90°-Hybridkoppler 45 überlagert, an dessen Ausgänge ein LHCP/RHCP-Umschalter 55 angeschlossen ist. Angesteuert durch einen im Radio befindlichen Umschalter zwischen LHCP und RHCP – Satelliten-Empfangssignalen stehen die Signale der beiden Drehrichtungen der Polarisation alternierend zur Verfügung.
Als besonderer Vorteil einer Antenne 1 nach der Erfindung zeigt sich dabei die Eigenschaft, dass der im Fernfeld erzeugte elektrische Feldstärkevektor zwar in jedem Punkt des Raumes zu jedem Zeitpunkt längs einer für diesen Punkt des Raumes spezifischen, feststehenden geraden Linie polarisiert ist, dass jedoch bezüglich der Richtung dieser Linie im Raum für die unterschiedlichen Raumrichtungen des Strahlungsdiagramm keine Gleichheitsforderung besteht, wie sie bei der Funkübertragung mit linearen Antennen bekannt ist. Naturgemäß steht diese Linie stets senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung, ist jedoch bezüglich seiner übrigen Richtung erfindungsgemäß vollkommen frei gestaltbar. Daraus ergibt sich eine Gestaltbarkeitsvielfalt, welche die optimale Anpassung an eine geforderte Strahlungscharakteristik ermöglicht. Erfindungsgemäß ist es durch Gestaltung der Antenne 1 ausschließlich notwendig, in jeder Raumrichtung über die Periode der Hochfrequenzschwingung eine zeitliche Änderung der Richtung des elektrischen und damit des magnetischen Feldstärkevektors auszuschließen. Raumrichtungen in denen diese Bedingung nicht erfüllt ist, tragen stets zur Unterstützung eines der beiden Satelliten-Signale und somit zwangsweise zur Abschwächung des anderen Satelliten-Signals bei und schwächen somit das Gesamtsystem.
In 1 ist noch einmal die Problematik der Aufgabenstellung der Erfindung dargestellt. Diese ergibt sich daraus, dass zwei Satelliten-Rundfunk-Frequenzbänder mit kleiner Bandbreite Bu beziehungsweise Bo dicht benachbart bei einer hohen Frequenz im L-Band beziehungsweise im S-Band, jedenfalls bei einer Frequenz von fm > 1 GHz mit entgegengesetzten Richtungen, das heißt mit rechts und links drehender zirkularer Polarisation (RHCP, LHCP) abgestrahlt werden. Bei einer Bandbreite Bu beziehungsweise Bo von einigen Megahertz (typisch etwa 4–25 MHz) ist der relative Frequenzabstand zwischen den Mittenfrequenzen fmu und fmo derart gering, dass eine frequenzselektive Gestaltung der Antenne 1 für links drehende und rechts drehende zirkulare Polarisation nicht möglich ist.
Im Folgenden werden die Grundlagen zur Gestaltung von Antennen erläutert, welche die erfindungsgemäß vorliegende Aufgabe lösen.
Anhand von 2 soll der Zusammenhang zwischen Strom durchflossenen, beliebig im Raum orientierten elektrisch sehr kurzen Leiterelementen der Länge Δ1...Δ5 < λ/20 und den im fernen Aufpunkt erzeugten komplexen elektrischen und magnetischen Feldstärkevektoren E → und H → erläutert werden. Die elektrisch sehr kurzen Leiterelemente sind als Vektoren Δ →₁, Δ →₅ gekennzeichnet, deren Richtung sowohl durch die Richtung der Lage im Raum als auch durch die Zählpfeilrichtung des auf dem Leiterelement fließenden Stromes, welcher nach Betrag und Phase als konstant angesehen werden kann, gegeben ist. In einer allgemeinen Beschreibung des ν-ten Elementes mit dem komplexen Strom Iν und seiner durch den Positionsvektor P → beschriebenen Position im Raum kann sein Beitrag zum komplexen elektrischen Feldstärkevektor
im – mit Abstand A vom Ursprung des Koordinatensystems entfernten – Fernfeld-Aufpunkt, welcher ferner durch den Einheits-Richtungsvektor r → beschrieben ist, angegeben werden. Sind N solcher Leiterelemente vorhanden, dann lautet die elektrische Feldstärke summarisch:
Hierin sind: Iν = Stromamplitude; Ψν = Stromphase; λ = Wellenlänge; β = 2π/λ Z0 = Wellenwiderstand des freien Raumes
Fasst man die für alle Leiterelemente gleich wirkenden Faktoren mit der Konstanten
zusammen, so lässt sich die Zeitfunktion der elektrischen Feldstärke bei willkürlich gewählter Grundphase wie folgt angeben:
In dieser Gleichung steht der Ausdruck in der geschweiften Klammer für die räumliche Richtung des Beitrags eines Leiterelements zu der sich ergebenden räumlichen Richtung des resultierenden elektrischen Feldstärkevektors. Beschreibt man den Vektor Δ →_ν durch seine Komponenten Δxν, Δyν, Δzν, so lässt sich der Vektor in der geschweiften Klammer wie folgt angeben:
Eingesetzt erhält man vereinfacht an Stelle von Gleichung (3):
Aus Gleichung (4) geht hervor, dass sich für die unterschiedlich und beliebig ausgerichteten Leiterelemente jeweils unterschiedliche Komponenten RVxν, RVyν, RVzν ergeben und diese Komponenten mit einer Schwingung mit unterschiedlicher Phase und Amplitude zur Gesamtfeldstärke beitragen. Damit wird die Richtung des gesamten elektrischen Feldstärkevektors im Aufpunkt zeitabhängig. Der Feldstärkevektor schwingt somit über eine Periode der Hochfrequenzschwingung im allgemeinen Fall nicht längs einer Linie, wie es zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe notwendig wäre.
Im Folgenden werden Antennen nach der Erfindung vorgestellt, welche die erfindungsgemäße Aufgabe lösen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind fiktive gleich lange Leiterelemente längs einer gestreckten geraden Linie 2 angeordnet und leitend miteinander verbunden, so dass im Wesentlichen ein stabförmiger Leiter 4 gebildet ist und die Antennenanschlussstelle 3 durch Unterbrechung des stabförmigen Leiters gebildet ist. Geradlinige Leiter besitzen die Eigenschaft, dass alle Leiterelemente einen gleichen Richtungsvektor aufweisen, dessen Komponenten in x, y und z-Richtung in einem, allen gemeinsamen Verhältnis zueinander stehen. Damit kann der Ausdruck in der geschweiften Klammer in Gleichung (5) vor die Summenbildung gezogen werden und im Summenausdruck verbleibt allein die Überlagerung einer Reihe in der Frequenz gleicher, jedoch in Amplitude und Phase unterschiedlicher Schwingungen. Hierfür ergibt sich eine resultierende Schwingung, welche mit den folgenden Komponenten des E-Vektors.
Damit besitzen die Schwingungskomponenten des elektrischen Feldstärkevektors
in allen Raumrichtungen die gleiche Phase. Der elektrische Feldstärkevektor ist somit in jedem Punkt des Raumes zu jedem Zeitpunkt längs einer für diesen Punkt des Raumes spezifischen, feststehenden geraden Linie polarisiert, deren Raumrichtung durch den Richtungsvektor RV →_ν = RV → gegeben ist.
Insbesondere für den Satelliten-Rundfunkempfang in Fahrzeugen werden Antennen mit azimutaler Rundcharakteristik eingesetzt, welche auf der elektrisch leitenden Fahrzeugaußenhaut angebracht werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird deshalb ein im Wesentlichen stabförmiger Leiter 4 im Wesentlichen senkrecht über einer im Wesentlichen horizontalen leitenden Grundfläche 6 angebracht. Für die Leiterelemente auf dem Spiegelbilde der senkrecht über einer leitenden Grundfläche 6 gebildeten Antenne 1 gilt die gleiche Raumrichtung wie für die Antenne 1 selbst. Daraus ergeben sich die für den mobilen Empfang auch die notwendigen Rundstrahleigenschaften der Antenne 1. Ist der stabförmige Leiter 4 jedoch gegenüber der vertikalen Linie 2 auf der Grundfläche 6 geneigt, so bildet dieser zusammen mit seinem Spiegelbild eine V-förmige Antenne. Damit sind nicht alle Leiterelemente in der gleichen Richtung orientiert und die erfindungsgemäße Aufgabe ist nicht gelöst. Somit ist es erfindungsgemäß wesentlich, dass die Abweichung der Antenne 1 von der vertikalen Linie auf der Grundfläche 6 so klein wie möglich ist.
Insbesondere für den Empfang von geostationären Satelliten, deren Signale in nördlichen Breiten unter vergleichsweise niedriger Elevation einfallen, ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, einen im Wesentlichen senkrechten Monopol 7 zur Gestaltung des Vertikaldiagramms mindestens mit einer Unterbrechungsstelle 5 zu gestalten, welche mit mindestens einem Blindelement 8 beschaltet ist. Auf diese Weise kann das Vertikaldiagramm auf vorteilhafte Weise den Erfordernissen angepasst werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in 3a ist die Antennenanschlussstelle 3 im Fußpunkt des Monopols 7 gebildet und zur Gestaltung des optimalen Empfangs im Bereich des Elevationswinkels zwischen 25° und 65°, wie in 3b ersichtlich, die Gesamtlänge des Monopols 7 etwa h2 = 5/8 λ der zu empfangenden Satelliten-Signale gestaltet. Hierfür ist die Unterbrechungsstelle 5 in der Höhe von etwa h1 = 3/8 λ.... 4/8 λ über der leitenden Grundfläche 6 angebracht und diese mit einem induktiven Widerstand von circa 200 Ohm bei der vorgesehenen Frequenz f_m beschaltet.
Fahrzeugantennen werden häufig als Kombinationsantennen für mehrere Funkdienste gestaltet. Insbesondere für den Empfang von AM/FM-Rundfunksignalen sind längere Antennen erforderlich. Erfindungsgemäß kann eine Antenne 1 wie in 3 mit der Höhe h₂ vorteilhaft eine AM/FM-Stabantenne mit der Gesamthöhe h_g einbeschrieben werden, wie dies in 4 dargestellt ist. Um den Einfluss des Stabes oberhalb der Satelliten-Empfangsantenne auf deren Strahlungscharakteristik zu vermeiden, ist am oberen Ende der Satelliten-Empfangsantenne eine Unterbrechungsstelle 5 gestaltet, welche mit einem hochohmigen Blindwiderstand, zum Beispiel mit einem auf die Mittenfrequenz f_m = f_r der Satelliten-Frequenzbänder abgestimmten Parallelresonanzkreis 39 beschaltet ist. Eine weitere Unterbrechungsstelle 5 ist im Abstand 40, welcher vorzugsweise kleiner ist als 1/5 λ zur weiteren Sicherung der Strahlungscharakteristik mit einem hochohmigen Blindwiderstand 39 beschaltet. Bereits oberhalb des ersten Parallelresonanzkreises 39 kann die Stabantenne 32 weitgehend frei gestaltet werden und insbesondere solche Serienelemente enthalten, welche bei der Satelliten-Frequenz hochohmig sind.
Erfindungsgemäß trifft die obige Aussage über eine Antenne 1 mit stabförmigem Leiter bezüglich der zeitlichen Unabhängigkeit der Raumrichtung des elektrischen Feldstärkevektors auf alle Antennen zu, deren Leiterelemente 2 parallel ausgerichtet sind und somit einen gleichen gemeinsamen Richtungsvektor RV →_ν = RV → besitzen. Gleichung (6) trifft hier somit unverändert zu. Die Leiterelemente 2 können also längs mehrerer zueinander paralleler gestreckter gerader Linien 2 angeordnet werden, so dass mehrere stabförmige Leiter gebildet sind. In mindestens einem der Leiter ist dabei durch eine Unterbrechungsstelle 5 die Antennenanschlussstelle 3 auszubilden. Andere dieser Leiter können als parasitäre Strahler 11 eingesetzt werden. Daraus resultiert eine vorteilhafte Vielfalt der Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich der Strahlungscharakteristik der Antenne. Für den mobilen Empfang auf Fahrzeugen ist es wieder vorteilhaft und erfindungsgemäß notwendig, die stabfömigen Leiter vertikal über einer im Wesentlichen horizontalen leitenden Grundfläche 6 zu orientieren.
Zur Gestaltung eines im Wesentlichen runden azimutalen Richtdiagramms einer Kreisgruppenantennenanlage 9, wie sie beispielhaft in 17 dargestellt ist, mit untereinander gleich ausgeführten, vertikal auf einer leitenden Grundfläche 6 befindlichen, stabförmigen Leitern können diese vorteilhaft als parasitärer Strahler 11 gestaltet sein mit einer im Zentrum der Kreisgruppenantennenanlage 9 befindlichen senkrechten Antenne mit Antennenanschlussstelle 3 mit einer gemäß den Ansprüchen an die Rundheit des azimutalen Richtdiagramms hinreichend großen Anzahl der auf dem Kreisumfang im gleichen Winkelabstand W voneinander angeordneten gleichartigen parasitären Strahlern 11. Das vertikale Richtdiagramm kann durch Wahl des Kreisdurchmessers sowie durch Ausgestaltung der parasitären Strahler 11 und der mittig angeordneten gespeisten Antenne durch Wahl der Höhe sowie gegebenenfalls durch Einbringung von mit Blindelementen 8 beschalteten Unterbrechungsstellen 5 gestaltet werden. Insbesondere bei Fahrzeugantennen besteht häufig die Forderung nach einer möglichst geringen Bauhöhe. Diese kann vorteilhaft durch Anbringung von Dachkapazitäten 12 erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die in der Kreisgruppe 9 in 18 angeordneten stabförmigen Leiter gespeist. Hierfür ist ein Verteilungsnetzwerk 10 mit mehreren Ausgängen 23 vorgesehen, dessen Eingang 24 als Anschlussstelle 28 der Antennenanordnung ausgeführt ist und die stabförmigen und gleichartig ausgeführten, in der Kreisgruppe angeordneten Leiter und eine Antennenanschlussstelle 3 enthalten und somit als Monopol 7 mit Monopol-Anschlussstelle 20 ausgebildet sind, welche jeweils über eine gleichartige elektrische Leitung 27 an einen der Ausgänge 23 des Verteilungsnetzwerks 10 angeschlossen sind. Im Interesse der Rundheit des azimutalen Richtdiagramms werden die Monopole 7 mit gleichen Signalen nach Amplitude und Phase gespeist. Der im Zentrum der Kreisgruppenantennenanlage 9 befindliche Strahler 13 mit Dachkapazität 12 kann vorteilhaft an einen der Ausgänge 23 des Verteilungsnetzwerks 10 angeschlossen und zur Gestaltung des Vertikaldiagramms mit einem Signal mit gesonderter Amplitude und Phase gespeist, oder gegebenenfalls als parasitärer Strahler 11 ausgeführt werden. Optionen wie die Gestaltung der Höhe und die Einbringung von mit Blindelementen 8 beschalteten Unterbrechungsstellen 5 sowie die Ausgestaltung von Dachkapazitäten 12 stehen auch hier zur Verfügung.
Im Gegensatz zu den bisherigen vorgestellten Antennen nach der Erfindung, welche aus einem geradlinigen Leiter oder mehreren zueinander parallelen geradlinigen Leitern gebildet sind, sollen im Folgenden komplexere Antennenstrukturen betrachtet werden, welche die erfindungsgemäße Aufgabe lösen.
Um die hierfür erforderlichen Bedingungen zu erörtern, werden in 2 die Vektoren Δ →₁ und Δ →₂ der beiden gleich langen, sehr kurzen Leiterelemente Δ₁ = Δ₂ betrachtet, welche zueinander parallel ausgerichtet sind und bezüglich des Ursprungs des Koordinatensystems symmetrisch positioniert sind, so dass die beiden Positionsvektoren p →₁ und p →₂ negativ gleich groß zueinander sind, d. h. p →₁ = – p →₂ und ebenfalls die Phasenwinkel Ψ₁ und Ψ₂ negativ gleich groß zueinander stehen, das heißt Ψ₁ = –Ψ₂. Aufgrund der Parallelität der beiden Leiterelemente Δ₁ und Δ₂ gilt Δ →₁ = Δ →₂ und es trifft auf beide der gleiche Richtungsvektoren zu, das heißt,
Der Beitrag E →_1-2 der beiden Strom durchflossenen Leiterelemente 2 zum elektrischen Feldstärkevektor im fernen Aufpunkt lautet demnach nach Gleichung (5):
Daraus folgt ummittelbar:
Aus Gleichung (8) ergibt sich für die Leiterelemente 1 und 2, dass die Phase der Cosinus-Schwingungen in Gleichung (7), welche sich aus dem Innenprodukt des Positionsvektors p →₁ mit der Stromphase Ψ₁ zusammensetzt, infolge der Paarbildung symmetrisch zum Ursprung des Koordinatensystems sowohl räumlich als auch hinsichtlich der Stromphasen nunmehr ausschließlich in dem Amplituden-Faktor c·I1·cos(β·p →1·r → + Ψ1) (8a)enthalten ist. Bei willkürlicher Zuweisung der Nullphase für den Bezugspunkt – hier dem Ursprung des Koordinatensystems – ist die Cosinus-Schwingung in Gleichung (8) ohne Phasenverschiebung. Alle Komponenten des elektrischen Feldstärkevektors E →_1-2 besitzen die gleiche Phase und die erfindungsgemäße Forderung der Polarisation ist erfüllt. Stellt man eine analoge Überlegungen für das willkürlich orientierte Paar der Leiterelemente Δ₃ = Δ₄ mit den Stromamplituden I₃ = I₄ mit den Phasenbeziehungen der Ströme Ψ₃ = –Ψ₄ an, so lautet der von diesem Part der Leiterelemente erzeugte Beitrag zur elektrischen Feldstärke in Analogie zu Gleichung (8), wie folgt:
Durch Überlagerung der durch beide Paare der Leiterelemente erzeugte Feldstärkebeitrag ergibt sich:
Die beiden Richtungsvektoren der jeweils beliebig im Raum orientierten paarigen Leiterelemente werden somit jeweils mit einem Faktor, der die Stromamplitude, den Positionsvektor p sowie die Stromphase Ψ enthält, gewichtet und summiert. Mit dem daraus resultierenden Summenvektor SV:
ergibt sich an Stelle von Gleichung (10)
Die Richtung des Summenvektors SV ergibt sich somit nicht nur aus den Richtungen der beiden Richtungsvektoren der paarigen Leiterelemente Δ1, Δ2, sondern auch aus deren komplexen Strömen und ist aus dem Verhältnis der Komponenten SVx, SVy, SVz bestimmt. Jede dieser Komponenten ändert sich über die Periode der Cosinusschwingung gleichphasig, so dass die Polarisation des elektrischen Feldstärkevektors zu jedem Zeitpunkt streng entlang einer Linie erfolgt und somit die Aufgabe der Erfindung löst. Naturgemäß ist diese Linie zwar stets senkrecht zum Einheits-Richtungsvektor r orientiert, kann jedoch ansonsten jede beliebige Richtung einnehmen. Eine zu dieser Linie senkrechte Komponente der elektrischen Feldstärke existiert zu keinem Zeitpunkt. Diese Betrachtung kann auf die Überlagerung einer beliebigen Anzahl beliebig im Raum orientierter paariger Leiterelemente dieser Art ohne Änderung der vorherigen Aussagen erweitert werden. Für eine allgemeinere Darstellung wird nun für die Stromphasen sämtlicher Leiterelemente eine gemeinsame Bezugsphase Ψ₀ eingeführt und gefordert, dass für die Stromphasen der paarig einander zugeordneten Leiterelemente- z. B. Ψ₁ und Ψ₂ – gilt, dass diese um den gleichen Wert ΔΨ₁₂ jedoch mit unterschiedlichem Vorzeichen von dieser Bezugsphase abweichen, das heißt: Ψ1 = Ψ0 + ΔΨ12 und Ψ2 = Ψ0 – ΔΨ12, sodass gilt: (Ψ1 + Ψ2)/2 = Ψ0
Gilt dieser Zusammenhang für alle paarigen Leiterelemente, wie zum Beispiel den paarigen Elementen 3 und 4, so gilt in analog: Ψ3 = Ψ0 + ΔΨ34 und Ψ4 = Ψ0 – ΔΨ34, sodass gilt: (Ψ3 + Ψ4)/2 = Ψ0 usw.
Unter dieser Voraussetzung besitzen die Feldbeiträge aller Leiterpaare in Gleichung (11) die gleiche Grundphase Ψ₀. Naturgemäß ist die Wahl der Grundphase der Zeitfunktion Ψ₀ ohne Einfluss auf den Summenvektor SV →.
Somit lässt sich zusammenfassen, dass eine Antenne, die aus einer Vielzahl von jeweils symmetrisch zu einem gemeinsamen Bezugspunkt im Raum in der angegebenen Weise paarweise angeordneten und gleich ausgerichteten elektrisch sehr kurzen Leiterelementen Δ₁, Δ₂ bzw. Δ₃, Δ₄ bzw. Δ₅, Δ₆ in 2 besteht und dass – bewirkt durch die Erregung der Antenne an der Antennenanschlussstelle 3 – diese paarig als strahlende Elementarantennen Δ_n, Δ_m wirken und der in beiden zu einem Elementarantennenpaar gehörigen Elementarantennen, z. B. Δ₁, Δ₂ in 2 fließende Strom der Größe nach gleich ist und der Bezugspunkt für alle Elementarantennenpaare Δ_n, Δ_m in der Weise ein gemeinsames Phasenzentrum B bilden, dass das arithmetische Mittel der Phasen der beiden, in der jeweils gleichen Richtung gezählten Ströme eines Elementarantennenpaares für alle Dipolpaare Δ_n, Δ_m .... den gleichen Wert (Ψ₀) besitzt.
Elektrisch kurze Antennen, das sind Antennen, deren Abmessungen < 3/8 λ betragen, haben die Eigenschaft, dass die Ströme auf diesen Antennen über deren Ausdehnung praktisch konstante Phasen haben. Somit kann durch leitende Aneinanderreihung von elektrisch sehr kurzen Leiterelementen um einen gemeinsamen Bezugspunkt eine Schleifenantenne 14 – mit einer durch Unterbrechung der Schleife 15 gestalteten Antennenanschlussstelle 3 – gebildet werden. Wenn die Abmessungen der Schleife 15 elektrisch hinreichend klein sind, so dass der Ringstrom dem Betrag nach an jeder Stelle gleich ist, existiert zu jedem sehr kurzen Leiterelement ein Paar bildendes korrespondierendes sehr kurzes Leiterelement Δn, Δm, so dass die oben genannten Bedingungen auf die Schleife 15 zutreffen. Eine solche Schleife 15 kann zum Beispiel als reguläres n-Eck gestaltet sein mit dem Phasen-Bezugspunkt im Symmetriepunkt des n-Ecks. In einem weiteren Beispiel ist die Schleifenantenne 14 aus mehreren geschlossenen Schleifen 15 mit gemeinsamem Phasen-Bezugspunkt gebildet, wobei jedoch in einer der Schleifen 15 durch Unterbrechung die Antennenanschlussstelle 3 gebildet ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung von der Erfindung besteht die Schleifenantenne 14 aus mehreren leitend aneinander gereihten Schleifen 15, die im Wesentlichen in zueinander parallelen Ebenen mit möglichst geringem Abstand voneinander in Form einer Spule angeordnet sind. Dabei ist für alle Schleifen 15 ein im Wesentlichen gemeinsamer zentraler Phasen-Bezugspunkt gebildet und die Antennenanschlussstelle 3 ist durch die beiden Enden der Spule gegeben.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Schleifenantenne 14 nicht elektrisch kurz und enthält zur wirksamen elektrischen Verkürzung mehrere an Unterbrechungsstellen 5 eingebrachte Kondensatoren. Hierdurch ist die Konstanz des Stromes nach Betrag und Phase auf den Leiterelementen hinreichend gegeben.
Figur 5a zeigt eine kreisförmige Schleifenantenne 14 mit Radius R, welche auch polygonal gestaltet werden kann. In ihrem Mittelpunkt befindet sich das Phasenzentrum B. Die Struktur ist unterteilt in „z" Leitungsabschnitte, jeweils mit der Länge Δs. Die Gesamt-Umlauflänge beträgt S. Die Antenne wirkt als Rahmenantenne mit Abmessungen im Bereich der Wellenlänge, wobei trotzdem erfindungsgemäß eine homogene Stromverteilung durch Unterteilung der Struktur durch Einfügen von Kapazitäten 16 erreicht wird. Dadurch wirkt die Antenne in ihrer Länge elektrisch verkürzt und erzeugt rundum ein homogenes, horizontal polarisiertes elektromagnetisches Feld. Im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen eindimensionalen Strukturen ist die Ringleitung zweidimensional. Die Erfüllung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist dadurch gegeben, dass zu jedem der elektrisch sehr kurzen Leiterelemente Δ₁, Δ₂, Δ₃, ..., welche als Elementarantennen wirken, ein korrespondierendes gleich ausgerichtetes sehr kurzes Leiterelement vorhanden ist, welches in der Gegenrichtung stromdurchflossenen ist, so dass die oben beschriebene Paarbildung mit Phasenzentrum B im Zentrum Z gegeben ist. In 5a sind beispielhaft zwei paarige elektrisch sehr kurze Leiterelemente, als Vektoren Δ →₁,
₂ gekennzeichnet, deren Richtung sowohl durch die Richtung der Lage im Raum als auch durch die Zählpfeilrichtung des auf dem Leiterelement fließenden Stromes, welcher nach Betrag und Phase als konstant angesehen werden kann, gegeben ist.
In 5b ist die Schleifenantenne 14 mit konstanter Höhe h über der leitenden Grundfläche 6 angeordnet. Durch die Spiegelung an der Grundfläche 6 ist das gemeinsame Phasenzentrum B nunmehr auf der Grundfläche 6 gegeben. Beispielhaft sind wieder zwei paarige elektrisch sehr kurze Leiterelemente, als Vektoren Δ →₁, Δ →₂ gekennzeichnet, deren Richtung sowohl durch die Richtung der Lage im Raum als auch durch die Zählpfeilrichtung des auf dem Leiterelement fließenden Stromes gegeben ist, welcher nach Betrag und Phase als konstant angesehen werden kann, Zu jedem Leiterelement der Schleifenantenne 14 existiert somit ein entsprechendes paariges Leiterelement auf dem Spiegelbild der Schleifenantenne 14, so dass auch diese Antennenanordnung die erfindungsgemäße Aufgabe löst. Die vertikale Hauptstrahlrichtung kann über die Wahl der Höhe h und den Radius des Leitungsrings eingestellt werden. Es kann eine Nullstelle in vertikaler Richtung und in horizontaler Richtung erreicht werden. Die ringförmig umlaufende Leiterlänge S wird erfindungsgemäß wieder in z gleich lange Stücke mit der Länge Δs = S/z zerlegt. Der Leiter-Wellenwiderstand gemäß der Darstellung in 5c der umlaufenden Leitung über der Massefläche sei Zw. Die kapazitive Recktanz ΔX pro Leitungstück Δs und damit der in dieses Leiterstück jeweils einzufügende Kapazitätswert C = 1/(ω .·ΔX) ist bei Annahme einer gestreckten Länge Δs und bei näherungsweise ringförmiger Leitung mit großem Radius R der ringförmigen Schleifenantenne 14 gegenüber der Leiterhöhe h definiert durch ΔX/Zw = tan(2π Δs/λ).
Es ergibt sich in guter Näherung für die in das Leitungsstück Δs einzufügende Kapazitätswert C: C = 1/(ω·Zwωtan(2πΔs/λ))
Kreisfrequenz der Satellitensignale = ω; Freiraumwellenlänge der Satellitensignale = λ Um in guter Näherung ein Runddiagramm zu erhalten, ist die Leitung der Länge S durch Einfügung von Kapazitäten 16 in ausreichend viele Teilstücke zu teilen. Für eine sinnvolle Unterteilung gilt: Δs/λ < 1/8. Sind die Teilstücke Δs = S/z ausreichend klein gewählt, so ist die Gleichheit Δs aller Teilstücke nicht unbedingt erforderlich, solange nur nach jedem Teilstück eine Kapazität 16 eingefügt wird, deren Wert sich nach oben beschriebenem Kriterium aus der relativen Länge Δs/λ des betreffenden Teilstücks errechnet.
Als Beispiel zur Gestaltung des Empfangs im Bereich des Elevationswinkels zwischen 25° und 65° mit azimutaler Rundcharakteristik ist eine horizontal angeordnete Schleifenantenne 14 im Abstand von etwa 1/16 der Wellenlänge über der leitenden Grundfläche 6 platziert, wie es beispielhaft in 5b dargestellt ist. Der Durchmesser der Schleifenantenne 14 ist etwas größer als 1/4 der Wellenlänge gewählt. Längs der Leiterführung in Abständen von etwa 1/8 der Wellenlänge ist jeweils eine mit einer Kapazität 16 mit einem Blindwiderstand von etwa – 200 Ohm beschaltete Unterbrechungsstelle 5 eingebracht. In 7 ist beispielhaft das Vertikaldiagramm einer solchen Antenne für a) links drehende zirkulare Polarisation und b) rechts drehende zirkulare Polarisation dargestellt. Die kleine Restunsymmetrie kann durch Verfeinerung der Beschaltung nach den genannten erfindungsgemäßen Vorgaben mit Blindwiderständen und Vervollkommnung der Symmetrie der Antenne bezüglich der Antennenanschlussstelle 3 reduziert werden. Für das Beispiel einer ringförmigen Schleifenantenne 14 im Frequenzbereich um 1500 MHz haben sich ein Radius R von etwa 4 cm, eine Höhe h von etwa 18 mm und ein Leiterdurchmesser D von etwa 3 mm zur Realisierung sowohl des vertikalen Richtdiagramms als auch eines passenden Leiter-Wellenwiderstands Zw als günstig erwiesen.
6 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Antenne nach der Erfindung mit Auskopplung 17 an der Antennenanschlussstelle 3 über die symmetrische Zweidrahtleitung 26 außerhalb des Zentrums Z und mit Umsymmetrierglied 29 und Anpassnetzwerk 25. Der Einfluss der nicht im Phasenzentrum befindlichen symmetrischen vertikalen Speiseleitung in Form der symmetrisch arbeitenden Zweidrahtleitung 26 schmälert die Polarisationsreinheit aufgrund der weiter unten erläuterten Symmetrieeigenschaft nicht. Die Verbindung des einen Anschlusses auf der unsymmetrischen Seite des Umsymmetrierglieds 29 zur Anschlussstelle 28 der Antennenanordnung erfolgt vorteilhaft mit Hilfe des über der Grundplatte 6 geführten Mikrostreifenleiters 30. Der andere Anschluss auf der unsymmetrischen Seite des Umsymmetrierglied 29 ist mit der elektrisch leitenden Grundfläche 6 verbunden. Aufgrund der Symmetrieeigenschaften der Zweidrahtleitung 26 kompensieren sich die Wirkungen der zueinander in entgegen gesetzter Richtung fließenden Ströme auf den Leitern der Zweidrahtleitung 26, so dass auch diese die Strahlungseigenschaften der Schleifenantenne 14 nicht beeinflussen. Wie im Folgenden erläutert wird, sind auch die vom elektromagnetischen Empfangsfeld erzeugten Ströme auf diesen Leitern ohne Einfluss auf die Wirkungen an der Antennenanschlussstelle 3.
Ein elektrische Leiter, welcher in einer senkrecht zur Grundfläche 6 und symmetrisch bezüglich der Antennenanschlussstelle 3 orientierten Symmetrieebene SE der Satellitenantennenanordnung zum Beispiel als flächig gestaltete beziehungsweise lineare Antenne 24 – wie in 16 – geführt ist, ist aufgrund der Symmetrie zur Antennenanschlussstelle 3 ohne Einfluss auf die Wirkungsweise der Satellitenantenne. Die Wirkung der durch das elektromagnetische Empfangsfeld in der Antenne 24 hervorgerufenen Ströme heben sich bezüglich ihrer Wirkung an der Antennenanschlussstelle 3 auf. Dies trifft auch auf die beiden elektrischen Leiter der Zweidrahtleitung 26 in 6 zu, welche aufgrund des kleinen Abstandes der beiden Leiter voneinander als in der Symmetrieebene SE geführt angesehen werden können. Von dieser Eigenschaft die Entkopplung zwischen einer Antenne 24 in 16 und der Antennenanschlussstelle 3 wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Gestaltung von Kombinationsantennen für unterschiedliche Funkdienste Gebrauch gemacht. Eine derartige Antenne kann somit neben den Satellitenempfang durch Ausgestaltung einer oder mehrerer von einander getrennter und in der Symmetrieebene SE geführter Antennen wie – z. B. Antenne 24 – für Funkdienste wie den AM/FM-Empfang, Zellen-Funkdienste, verwendet werden.
Bei der in der 8 dargestellten vorteilhaften Ausführungsform der Antenne erfolgt die Auskopplung 17 zentral und auf Ringebene. Das Anpassnetzwerk 25 und das Umsymmetrierglied 29 sind ebenfalls auf Ringebene ausgeführt. Die Zweidrahtleitung 26 ist auf der unsymmetrischen Seite des Umsymmetrierglied 29 angeschlossen und im Zentrum Z zur Grundfläche 6 geführt. Dort ist ihr erster Leiter mit der leitenden Grundfläche 6 und ihr zweiter Leiter mit dem über der Grundplatte 6 geführten Mikrostreifenleiter 30 verbunden. Letztere stellt die Verbindung zur Anschlussstelle 28 der Antennenanordnung her. Auch hier kompensieren sich die Wirkungen der in entgegen gesetzter Richtung fließenden Ströme auf den Leitern der Zweidrahtleitung 26, so dass diese die Strahlungseigenschaften der Schleifenantenne 14 nicht beeinflussen.
Für den Fall, dass das Satelliten-Rundfunksystem zusätzlich durch die bereichsweise Ausstrahlung vertikal polarisierter terrestrischer Signale in einem weiteren, in der Frequenz dicht benachbartem Frequenzband gleicher Bandbreite unterstützt wird, ist es wünschenswert, das vertikale Richtdiagramm für diese Signale zu niedrigen Elevationswinkeln hin aufzufüllen. Damit kann die Antenne in einem Kompromiss sowohl die Satelliten-Empfangssignale als auch die terrestrischen Signale empfangen. Um dies zu erreichen, ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im zentralen Phasen-Bezugspunkt B der Schleifenantenne 14 in 9 ein elektrisch kurzer, vertikal orientierter Monopol 7 angebracht. Weiterhin ist als Verteilungsnetzwerks 10 ein Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 vorgesehen mit separaten Anschlüssen für die Schleifenantenne 14 einerseits und den Monopol 7 andererseits, welches in der Weise gestaltet ist, dass die Phasen des in den Monopol 7 und in die Schleifenantenne 14 eingespeisten Stromes jeweils gleich sind. Aufgrund der Gleichphasigkeit der Ströme auf der Schleifenantenne 14 und der Monopolantennen 7 bezüglich des Phasenzentrum B auf der Grundfläche 6 unter Berücksichtigung der Spiegelung sind die oben geforderten Bedingungen für die Bildung paariger Leiterelemente Δ_n, Δ_m und damit für die Polarisation der elektrischen Feldstärke erfüllt. Die Hauptstrahlrichtung im Vertikaldiagramm der Schleifenantenne 14 wird dabei durch Hinzufügen des vertikalen Strahlers 13 zu niedriger Elevation hin gezogen. Die Kombination ermöglicht nun auch bei niedrigerer Elevation ein vertikales polarisiertes elektrisches Feld für zusätzliche terrestrische Anwendungen zu empfangen. Über die unterschiedliche Gewichtung bei der Überlagerung der beiden Antennen kann das vertikale Richtdiagramm zu niedrigen Elevationswinkeln hin für diese Signale aufgefüllt werden. Die Stabantenne 32 besitzt in ihrer vertikalen Richtcharakteristik eine ähnliche Hauptstrahlrichtung wie die horizontal polarisierte Schleifenantenne 14, liefert jedoch für niedrige Elevationswinkel einen größeren Beitrag als die Schleifenantenne 14. Mit Hilfe des unsymmetrischen Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerks 31 kann sowohl die Gewichtung der Eigenschaften der beiden Antennen unterschiedlich eingestellt werden und zusätzlich die Angleichung der Phasenschwerpunkte erfolgen.
Bei der Anordnung in 10 ist die Stabantenne 32 in 9 eingespart und die vertikale Zuleitung 18 zur Speisung der Schleifenantenne 14 als Monopol 7 mit der Schleifenantenne 14 als Dachkapazität 12 eingesetzt. Hierfür wird eine zusätzliche Auskopplung geschaffen, wobei die Schleifenantenne 14 in einem Modus als Dachkapazität 12 eines Monopol 7 für ein vertikal polarisiertes Feld mit verwendet wird. Bei Bedarf kommt ein Anpassnetzwerk für den Monopolmodus 33 zur Anwendung, welches vorzugsweise derart gestaltet ist, dass das oben genannte Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 daran angeschlossen werden kann. Somit kann auch hier mit Hilfe dieses unsymmetrischen Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerks 31 die Gewichtung der Antennen unterschiedlich eingestellt werden und die Angleichung der Phasenschwerpunkte erfolgen. Die Anpassung der Impedanz der Schleifenantenne 14 kann mit Hilfe des Anpassnetzwerks 25 erfolgen, welches in einer einfachen Ausführungsform als λ/4-Leitungstransformer realisiert werden kann. Aufgrund der Vertikalaufnahme der Zweidrahtleitung 26 mit der Schleifenantenne 14 als Dachkapazität 12 gegenüber der Grundfläche 6 sowie aufgrund der Horizontalaufnahme der Schleifenantenne 14 zwischen den beiden Leitern der Zweidrahtleitung 26 ist eine Überlagerung von Signalen aus vertikalen und horizontalen Feldkomponenten im Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 gegeben. Diese Eigenschaft kann erfindungsgemäß vorteilhaft zur Unterstützung der Strahlungseigenschaften bei niedriger Elevation durch phasenstarre Kombination der vertikal und horizontal polarisierten Antennen und bei Wahl des gleichen Phasenschwerpunkts (in Analogie zum Phasenbezugspunkt im Ursprung des Koordinatensystems gemäß den obigen Betrachtungen) ausgenützt werden. Damit lässt sich ein linear polarisiertes Feld erzeugen, welches bei höherer Elevation vorzugsweise horizontal und bei niederer Elevation vorzugsweise vertikal polarisiert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß 15 ist das unsymmetrische Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 im zentralen Fußpunkt 19 der Antennenanordnung dadurch realisiert, dass der eine Leiter der Zweidrahtleitung 26 über einen Blindwiderstand 41 mit der leitenden Grundfläche 6 leitend verbunden ist und der andere Leiter der Zweidrahtleitung 26 zur Anschlussstelle 28 der Antennenanordnung geführt ist. Durch Wahl des Blindwiderstands 41 ist die Gewichtung des Empfangs des horizontal und des vertikal polarisierten elektrischen Feldes eingestellt. Bei dem in 15 dargestellten Beispiel ist der Blindwiderstands 41 durch einen Kondensator realisiert, mit dessen Größe die gewünschte Gewichtung eingestellt ist.
In einer symmetrischen Ausführungsform ist die in 10 beschriebene Antenne in 11 mit sternförmig mehrarmiger horizontaler Zuführung und zentralem Anschluss an eine vertikale Zuführung als Alternative zur einarmigen Zuführung ausgeführt. Auf diese Weise wird die Rundheit der azimutalen Richtcharakteristik perfektioniert. Das Beispiel zeigt eine Ausführungsform mit zweiarmiger symmetrischer Zuführung zu den in der Schleifenantenne 14 ausgebildeten beiden Antennenanschlussstellen 3.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jeweils eine Gruppe von elektrisch sehr kurzen, im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene verlaufenden Leiterelementen elektrisch leitend aneinander gereiht und somit ein elektrisch kurzer Dipol 21 mit nahezu gleicher Phase der Ströme auf den Leiterelementen gestaltet, welcher an einer durch eine Unterbrechungsstelle 5 gebildeten Antennenanschlussstelle 3 gespeist ist. Jeweils symmetrisch zum gemeinsamen Bezugspunkt ist ein gleich geformter und gleich ausgerichteter elektrisch kurzer Dipol 21 korrespondierend vorhanden, sodass zu jedem elektrisch sehr kurzen Leiterelement auf einem Dipol 21 ein entsprechend korrespondierendes, im Wesentlichen in derselben Ebene verlaufendes Leiterelement auf dem korrespondierenden Dipol 21 existiert. Beide ein Paar bildende Dipole 21 sind an der Antennenanschlussstelle 3 jeweils mit dem gleichen Strom dem Betrag nach gespeist. Das arithmetische Mittel der Phasen der in der jeweils gleichen Richtung gezählten Ströme eines Dipolpaars 36 besitzt für alle Dipolpaare 36 den gleichen Wert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Dipole 21 geradlinig und zur Antennenanschlussstelle 3 symmetrisch und in einer horizontalen Ebene verlaufend gestaltet und die Antennenanschlussstelle 3 mehrerer Dipolpaare äquidistant auf einer horizontalen Kreislinie, deren Mittelpunkt den gemeinsamen Bezugspunkt bildet, verteilt angeordnet und die Dipole 21 sind senkrecht zur Verbindungslinie zum Mittelpunkt der Kreislinie orientiert. Dadurch ist eine Kreisgruppenantennenanlage gegeben, wie sie in einer einfachsten Form in 13a dargestellt ist. Die Figur zeigt eine symmetrische Ausführungsform einer Antenne nach der Erfindung mit 4 in einem Quadrat angeordneten liegenden Dipolen 21 und mit einem zentral im Phasenzentrum B angeordneten Verteilungsnetzwerk 10, dessen Eingang 24 die Anschlussstelle 28 bildet. Die Antennenanschlussstellen 3 sind jeweils über eine elektrische Leitung 27 an einen der Ausgänge 23 des Verteilungsnetzwerks 10 angeschlossen wobei die Dipolpaare mit gleichen Signalen nach Amplituden und Phasen gespeist sind.
13c zeigt die Dipolanordnung wie in 13a jedoch mit einer Überlagerung des Empfangs horizontaler und vertikaler elektrischer Feldkomponenten, wie in den 10 und 11. Die Dipole 21 wirken zusätzlich als Dachkapazität des auf diese Weise gebildeten vertikalen Monopols 7.
Ebenso können, wie in 13c dargestellt, in einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Ausführungsform einer Antennenanordnung nach 13a die im Quadrat angeordneten liegenden Dipole 21 über einer leitenden Grundfläche 6 mit zentraler Auskopplung 17 -ähnlich wie bei der Antenne in 10 – mit einem Monopol kombiniert werden. Bei dieser Anordnung ist die vertikale Zuleitung 18 in Form der Zweidrahtleitung 26 zur Speisung der Dipole 21 als Monopol 7 mit den Dipolen 21 als Dachkapazität 12 eingesetzt. Somit kann auch hier mit Hilfe des unsymmetrischen Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk 31 die Gewichtung der Wirkungen der Dipole 21 und des auf diese Weise gebildeten Monopols 7 entsprechend den Anforderungen unterschiedlich eingestellt werden und die Angleichung der Phasenschwerpunkte erfolgen.
In 13b ist eine symmetrische Ausführungsform einer Antenne nach der Erfindung mit vier in einem Quadrat angeordneten, über einer leitenden Grundfläche 6 angeordneten Rahmenantennen 42, deren Rahmenflächen senkrecht zur leitenden Grundfläche 6 orientiert sind, dargestellt. Die Rahmenantennen 42 sind mit λ/2-Symmetrierleitungen 43 symmetrisch zur Grundfläche erregt, so dass jeweils an einem der beiden Fußpunkte einer Rahmenantennen 42 eine Antennenanschlussstelle 3 gebildet ist. Vorzugsweise werden die im Bild als koaxiale Leitungen dargestellten λ/2-Symmetrierleitungen 43 als Mikrostreifenleitungen 44 realisiert. Zusätzlich ist jede Rahmenantenne 42 jeweils mit einer gleich langen vorzugsweise als Mikrostreifenleitung 44 realisierten elektrischen Leitung, ausgehend von der gemeinsamen Anschlussstelle 28 der Antennenanordnung in der Weise an ihrer Antennenanschlussstelle 3 gespeist, dass alle horizontalen Rahmenteile demselben Umlaufsinn folgend erregt sind. Mit in die Rahmenantennen 42 eingebrachten Kapazitäten 16 kann durch Wahl von ihrer Position und ihrem Kapazitätswert bei azimutalem Runddiagramm die Hauptrichtung des vertikalen Richtdiagramms eingestellt werden. Bei dieser Forderung des Anschlusses heben sich die Strahlungswirkungen der vertikalen Anteile der Rahmenantennen 42 gegenseitig auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind im zentralen Phasen-Bezugspunkt B einer Kreisgruppenantennenanlage 9 mit horizontal ausgerichteten Dipolen 21 ein elektrisch kurzer vertikaler Monopol 7 und ein Verteilungsnetzwerk 10 vorhanden. Der Eingang 24 des Verteilungsnetzwerks 10 ist als Anschlussstelle 28 der Antennenanordnung ausgeführt und die Antennenanschlussstellen 3 der Antennen in der Kreisgruppe und des Monopols 7 sind jeweils über eine elektrische Leitung 27 von einem Ausgang des Verteilungsnetzwerks 10 in der Weise gespeist, dass die Phasen des in den Monopol 7 eingespeisten Stromes der Phasenlage der in die Kreisgruppenantennenanlage 9 eingespeisten Ströme bezüglich des gemeinsamen Phasen-Bezugspunkts B entspricht. Schließlich können auch mehrere elektrisch kurze vertikale Monopole 7 paarweise symmetrisch zum zentralen Phasen-Bezugspunkt angeordnet und vom Verteilungsnetzwerk 10 in der Weise gespeist werden, dass das arithmetische Mittel der Stromphasen der paarweise angeordneten Monopole 7 und die Phase des in den zentralen Monopol 7 eingespeisten Stromes bezogen auf den Phasen-Bezugspunkt B jeweils gleich sind.
12 zeigt eine besonders vorteilhafte zweiarmige Zuführung über den Bandleiter 34 einer derartigen Antenne und die durch Pfeile gekennzeichneten Stromwege. Die zentrale vertikale Zuführung erfolgt hier beispielsweise in koaxialer Ausführung, wobei der Außenleiter der Koaxialleitung 35 mit dem einen und der Innenleiter mit dem anderen Band des Bandleiters 34 verbunden ist.
In einer besonders vorteilhaften Anwendung der Erfindung ist das Verteilungsnetzwerk 10, wie in 14, für die Verwendung der Antenne als Diversity-Empfangsantenne in der Weise gestaltet, dass sowohl die Empfangssignale der Antennen mit horizontal orientierten Leiterelementen als auch die des vertikalen Monopols 7 jeweils getrennt voneinander alternativ zur Verfügung stehen. Dies geschieht in einem einfachsten Fall mit der Hilfe eines Diversity-Umschalters 37, welcher von einem Diversity-Modul 38 angesteuert wird. Dabei werden die Empfangssignale beider Antennen jeweils mit der ihnen eigenen – jedoch für beide Richtungen der zirkularen Polarisation gleichen – Strahlungscharakteristik empfangen.
Insbesondere im Fahrzeugbau ist der kompatible Ausbau einfacher Geräte hin zu besonders leistungsfähigen und damit aufwändigeren Geräten auf wirtschaftliche Weise besonders wichtig. Ein besonderer Vorteil einer Antennenanordnung nach der Erfindung besteht in der Möglichkeit, eine im wesentlichen horizontal polarisierte Antenne und eine im wesentlichen vertikal polarisierte Antenne zu kombinieren, um getrennte Anschlüsse für zirkular polarisierte Wellen beider Drehrichtungen zu gestalten. Somit kann zum Beispiel die Schleifenantenne 14 mit dem vertikalen Monopol 7 mit gemeinsamem Phasenzentrum B in 9 entweder auf wenig aufwändige Weise mit Hilfe des Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerks 31 kombiniert werden, wie dies im Zusammenhang mit der Erläuterung zu 9 beschrieben ist, oder die Antennenanschlussstellen 3 der beiden Antennen werden in einer aufwändigeren Form mit einer 90°-Phasenschaltung mit unterschiedlichen Vorzeichen an einem LHCP-Anschlusses 46 und einem RHCP-Anschlusses 47 für getrennte Darstellung von LHCP- beziehungsweise RHCP-Wellen kombiniert. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass bei bestehender Grundform der aus der Schleifenantenne 14 und dem Monopol 7 kombinierten Konstruktion der Antennenanordnung sowohl die wenig aufwändige Betriebsform zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe als auch die Erweiterung zur getrennten Darstellung für den Betrieb für LHCP- beziehungsweise RHCP-Wellen wirtschaftlich gestaltet werden kann. Antennen für zirkular polarisierte Wellen werden nach dem Stand der Technik gewöhnlich dadurch gestaltet, dass gleichartige Antennen – wie zum Beispiel zwei gekreuzte Dipole oder zwei gekreuzte Rahmenantennen – über 90°-Phasenschaltung zusammengeschaltet werden. Im Gegensatz hierzu wird im vorliegenden Fall – wie in 19a dargestellt – eine zirkular polarisierte Antenne aus zwei unterschiedlichen Antennen nach der vorliegenden Erfindung gestaltet, deren vertikale Richtdiagramme deckungsgleich und deren Hauptrichtung für den Empfang der Satellitensignale passend gestaltet ist. Diese Gleichheit der Richtdiagramme kann beispielhaft durch Wahl der Struktur der Stabantenne 32 mit dem Blindelement 8 – ähnlich wie im Zusammenhang mit der in 3 beschriebenen Antenne – sowie durch entsprechende Gestaltung der Schleifenantenne 14 – wie im Zusammenhang mit 7 beschrieben – herbeigeführt werden. Die Gleichheit des Phasenzentrums B beider Antennen kann mit Hilfe des Anpassnetzwerks 25 für die Schleifenantenne 14 beziehungsweise des Anpassnetzwerks für den Monopolmodus 33 bewerkstelligt werden. Die Realisierung einer derartigen Antenne kann somit – wie in 19a dargestellt – durch Einsatz der vertikal und der horizontal polarisierten Antenne (32 und 14) nach der Erfindung mit gemeinsamem Phasenzentrum B wie in 9, jedoch mit getrennter Zuführung der Signale zum Anschluss für Vertikalpolarisation 49 beziehungsweise zum Anschluss für Horizontalpolarisation 48 eines Hybridkopplers 45 mit 90° positivem beziehungsweise negativem Phasenunterschied bezüglich des LHCP-Anschlusses 46 beziehungsweise des RHCP-Anschlusses 47 für getrennte Darstellungen von LHCP- beziehungsweise RHCP-Signale erfolgen. Eine ähnliche Antennenanordnung hierzu ist in 19b dargestellt, wobei jedoch die Realisierung des Monopols 7 gemäß der Antennenanordnung in 10 durch die Kombination der Wirkungen der Schleifenantenne 14 als Dachkapazität und der Zweidrahtleitung 26 erfolgt. Mit Hilfe des kombinierten Anpassgeräts 50 wird sowohl die Anpassung der Schleifenantenne 14 und die des Monopols 7 als auch die Einstellung eines gemeinsamen Phasenzentrums B sichergestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Antennenanordnung zur alternativen Auskopplung von RHCP- beziehungsweise LHCP-Signalen wird, wie in 21 dargestellt, eine Schleifenantenne 14 – wie in 11 – mit zwei einander gegenüberliegenden Antennenanschlussstellen 3 und daran angeschlossenen und in der Schleifenebene befindlichen Anpassnetzwerken 25, welche vorzugsweise als λ/4-Transformationsleitungen realisiert sind und deren Ausgänge addierend parallel geschaltet sind, realisiert. Das Empfangssignal wird über die Zweidrahtleitung 26 einer auf der Grundfläche 6 befindlichen Anpassnetzwerk 25 zugeführt, dessen Ausgang wiederum an einen der beiden Eingänge eines 90°-Hybridkoppler 45 angeschlossen ist. An der Antennenanschlussstelle 3 im Fußpunkt des im Zentrum der Anordnung befindlichen Monopols 7 in Form einer Stabantenne 32 ist ebenfalls ein Anpassnetzwerk 25 angeschlossen, dessen Ausgang den anderen der beiden Eingänge des 90°-Hybridkopplers 45 speist. Ein an die Ausgänge des 90°-Hybridkopplers 45 angeschalteter LHCP/RHCP-Umschalter 55 stellt an der Anschlussstelle 28, angesteuert durch einen im Radio befindlichen Umschalter zwischen LHCP und RHCP, Satelliten-Empfangssignale der beiden Drehrichtungen der Polarisation alternierend zur Verfügung. Bei Ansteuerung mit einem Diversity-Steuermodul 38 kann die Antennenanordnung in vorteilhafter Weise ebenso für Polarisations – Diversity durch Umschalten zwischen dem Empfang für LHCP- und RHCP- Wellen eingesetzt werden.
In einer weiteren besonders wirtschaftlichen Ausführungsform einer derartigen Antenne ist in 22 – ähnlich wie bei der Antenne in 11 – der Monopol 7 eingespart. Die Vertikalaufnahme wird auch hier durch die Zweidrahtleitung 26 erreicht. Durch Einfügen eines geeignet gestalteten Netzwerks 53 in einen der Stränge der vertikalen Zweidrahtleitung 26 wird der Unterschied von 90° zwischen den Phasen des von der vertikalen Zweidrahtleitung 26 mit der Schleifenantennen 14 als Dachkapazität 12 und des von der Schleifenantenne 14 aufgenommenen horizontalen Feldanteils eingestellt, so dass deren Kombination mit diesem Phasenunterschied am Mikrostreifenleiter 30 zum Anpassnetzwerk 54 vorliegt und somit ebenso an der Anschlussstelle 28. Damit empfangt die Antenne ein zirkular polarisiertes Feld. In der Verknüpfung der Empfangssignale der Schleifenantenne 14 am Ausgang der Anpassnetzwerke 25 aus dem horizontal polarisierten elektrischen Feld und der Empfangssignale der vertikalen Zweidrahtleitung 26 aus dem vertikal polarisierten elektrischen Feld befinden sich LHCP/RHCP-Umschalter 55 zur Vertauschung der Polarität der Empfangsspannung der Schleifenantenne 14. Letztere kann somit durch mit unterschiedlichem Vorzeichen der Empfangsspannung aus dem vertikal polarisierten elektrischen Feld hinzugefügt werden, so dass zwischen dem Empfang von LHC und RHC polarisiertem Feld durch Umschaltung der LHCP/RHCP-Umschalter 55 umgeschaltet werden kann.
Auf ähnliche Weise – wie bereits im Zusammenhang mit der Antenne in 15 erläutert – kann das Netzwerk 53 aus Blindwiderständen in 20 zur Gestaltung des vertikalen Richtdiagramms einer linear polarisierten Antenne nach der Erfindung in den Strang der vertikalen Zweidrahtleitung 26 eingebracht werden, dessen Ende mit Masse verbunden ist. Mit Hilfe des Netzwerks 53, kann die Einstellung des Gleichtakt-zu-Gegentakt-Verhältnisses auf der vertikalen Zweidrahtleitung 26 eingestellt werden. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Antennen in den 21 und 22 ist das Netzwerk 53 in der Weise zu gestalten, dass die Empfangsspannungen aus den horizontalen und den vertikalen elektrischen Feldanteilen phasengleich überlagert werden. Dieses Netzwerk 53 kann im einfachsten Fall als eine Kapazität gestaltet werden. Durch Einstellung des Gleichtakt-zu-Gegentakt-Verhältnisses auf der vertikalen Zweidrahtleitung 26 kann das Verhältnis des Anteiles des vertikal polarisierten Feldes mit niederer Elevation der Hauptstrahlrichtung zu dem Anteil des horizontal polarisierten Feldes mit höherer Elevation der Hauptstrahlrichtung eingestellt werden. Durch Gestaltung des Netzwerks 53 kann somit die Elevation der Hauptstrahlrichtung der Gesamtcharakteristik zwischen den Elevationswinkeln 0° (horizontal) und 45° frei gewählt werden.

1: Antenne
2: gerade Linie
3: Antennenanschlussstelle
4: Stabförmiger Leiter
5: Unterbrechungsstelle
6: Grundfläche
7: Monopol
8: Blindelement
9: Kreisgruppenantennenanlage
10: Verteilungsnetzwerk
11: parasitärer Strahler
12: Dachkapazität
13: Strahler
14: Schleifenantenne
15: Schleife
16: Kapazität
17: Auskopplung
18: Zuleitung
19: zentraler Fußpunkt
20: Monopol-Anschlussstelle
21: Dipol
22: Dipol-Anschlussstelle
23: Ausgänge
24: Eingang
25: Anpassnetzwerk
26: Zweidrahtleitung
27: elektrische Leitung
28: Anschlussstelle
29: Umsymmetrierglied
30: Mikrostreifenleiter
31: Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk
32: Stabantenne
33: Anpassnetzwerk Monopolmodus
34: Bandleiter
35: Koaxialleitung
36: Dipolpaar
37: Diversity-Umschalters
38: Diversity-Steuermodul
39: Resonanzschaltung
40: Abstand
41: Blindwiderstand
42: Rahmenantenne
43: λ/2-Symmetrierleitung
44: Mikrostreifenleitung
45: 90°-Hybridkoppler
46: LHCP-Anschluss
47: RHCP-Anschluss
48: Anschluss Horizontalpolarisation
49: Anschluss Vertikalpolarisation
50: kombiniertes Anpassgerät
51: Antenne weiterer Funkdienste
52: LHCP/RHCP-Radiomodul
53: Netzwerk
54: Anpassnetzwerk
55: LHCP/RHCP-Umschalter
B_u, B_o: Bandbreiten
f_mu, f_mo: Mittenfrequenzen
(LHCP): linksdrehende zirkulare Polarisation
(RHCP): rechtsdrehende zirkulare Polarisation
E →_ν: Elektrischer Feldstärkevektor
: Raumpunkt P
t: Zeitpunkt
B: Bezugspunkt, Phasenzentrum
Z: Zentrum
W: Winkelabstand
K: Kreis
Zw: Leiter-Wellenwiderstand
ΔX: Recktanz
Δs: Leitungstück
C: Kapazität
S: Leitung der Länge
: RRadius
z: Anzahl der Treilstücke
h, h2: Höhen über Grundfläche
D: Leiterdurchmesser
Δ₁, Δ₂, Δ₃, ...: Elektrisch sehr kurze Leiterelemente als Elementarantennen
Δ_n, Δ_m,: Elementarantennenpaares
SE: Symmetrieebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4008505 [0002, 0003]
- DE 10163793 [0002, 0003]

Claims

Antenne (1) für den Satellitenempfang bestehend aus Leiterelementen (Δ₁, Δ₂, ...) und mindestens einer Antennenanschlussstelle (3) dadurch gekennzeichnet, dass es durch die Gestaltung der Leiterelemente (Δ₁, Δ₂, ...) der Antenne (1) gegeben ist, dass bei Einspeisung der Sendeleistung an mindestens einer der Antennenanschlussstellen (3) der im Fernfeld erzeugte elektrische Feldstärkevektor
in jedem Punkt P des Raumes zu jedem Zeitpunkt t längs einer für diesen Punkt P des Raumes spezifischen, feststehenden geraden Linie G polarisiert ist.
Antenne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dass alle Leiterelemente (Δ₁ _, Δ₂, ...) längst einer gestreckten geraden Linie (2) angeordnet sind und leitend miteinander verbunden sind, so dass im Wesentlichen ein stabförmiger Leiter (4) gebildet ist und die Antennenanschlussstelle (3) durch Unterbrechung (5) des stabförmigen Leiters (4) gebildet ist.
Antenne nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen stabförmige Leiter (4) im Wesentlichen senkrecht über einer im Wesentlichen horizontalen leitenden Grundfläche (6) angebracht ist und eine Unterbrechungsstelle (5) aufweist, durch welche die Antennenanschlussstelle (3) gebildet ist
Antenne nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen senkrechte Monopol (7) zur Gestaltung des Vertikaldiagramms mindestens eine Unterbrechungsstelle (5) aufweist, welche mit mindestens einem Blindelement (8) beschaltet ist.
Antenne nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanschlussstelle (3) im Fußpunkt des Monopols (7) gebildet ist und zur Gestaltung des optimalen Empfangs im Bereich des Elevationswinkels zwischen 25° und 65° die Gesamtlänge (h) des Monopols (7) etwa 5/8 λ der zu empfangenden Satelliten-Signalen gestaltet ist und die Unterbrechungsstelle (5) in der Höhe (h1) von etwa 3/8 λ – 4/8 λ über der leitenden Grundfläche (6) angebracht und diese mit einem bei dieser Frequenz induktiven Blindwiderstand (8) von circa 200 Ohm beschaltet ist. (3)
Antenne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein dass die Leiterelemente (Δ₁, Δ₂, ...) längs mehrerer zueinander parallelen, gestreckten geraden Linien angeordnet sind, so dass mehrere stabförmige Leiter (4) gebildet sind, von denen in mindestens einem die Antennenanschlussstelle (3) ausgebildet ist.
Antenne nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmigen Leiter (4) vertikal über einer im Wesentlichen horizontalen leitenden Grundfläche (6) orientiert sind.
Antenne nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung eines im Wesentlichen runden azimutalen Richtdiagramms eine Kreisgruppenantennenanlage (9) mit untereinander gleich ausgeführten stabförmigen Leitern (4) als parasitäre Strahler (11) gestaltet ist mit einer im Zentrum Z der Kreisgruppenantennenanlage (9) befindlichen Antenne nach den Ansprüchen 3 bis 5 und einer gemäß den Erfordernissen an die Rundheit des azimutalen Richtdiagramms hinreichend großen Anzahl der auf dem Kreisumfang im gleichen Winkelabstand W voneinander angeordneten parasitären Strahlern (11).
Antenne nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisgruppenantennenanlage (9) ein Verteilungsnetzwerk (10) mit mehreren Ausgängen (23) enthält, dessen Eingang (24) als Antennenanschlussstelle (3) ausgeführt ist und die stabförmigen und gleichartig ausgeführten in der Kreisgruppe angeordneten stabfömigen Leiter (4) jeweils eine Unterbrechungsstelle (5) enthalten und somit als Strahler (13) ausgebildet sind, welche jeweils über eine gleichartige elektrische Leitung an einen der Ausgänge des Verteilungsnetzwerks (10) angeschlossen sind und die mit gleichen Signalen nach Amplituden und Phasen gespeist sind und der im Zentrum Z der Kreisgruppenantennenanlage (9) befindliche Strahler (13) zur Gestaltung des Richtdiagramms an einen der Ausgänge des Verteilungsnetzwerks (10) angeschlossen ist und mit einem Signal mit gesonderter Amplitude und Phase gespeist ist.
Antenne nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum Z der Kreisgruppe an Stelle des Strahlers (13) ein parasitärer Strahler (11) angebracht ist.
Antenne nach Anspruch 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die im Kreis angeordneten stabförmigen Leiter (4) zur Gestaltung des Vertikaldiagramms jeweils mindestens eine mit mindestens einem Blindelement (8) beschaltete Unterbrechungsstelle (5) enthalten.
Antenne nach Anspruch 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der im Zentrum Z der Kreisgruppe angeordnete stabförmige Leiter (4) zur Gestaltung des Vertikaldiagramms jeweils mindestens eine mit mindestens einem Blindelement (8) beschaltete Unterbrechungsstelle (5) enthält.
Antenne nach Anspruch 3 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung möglichst niedriger stabförmiger Leiter (4) diese an ihrem oberen Ende eine Dachkapazität (12) enthalten und dadurch verlängert wirken.
Antenne nach Anspruch 8 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisgruppenantennenanlage (9) aus mehreren in konzentrischen Kreisen angeordneten und im jeweiligen Kreis aus gleichartig ausgeführten stabfömigen Leitern (4) mit gegebenenfalls gleicher Erregung nach Betrag und Phase besteht.
Antenne nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (1) aus einer Vielzahl von jeweils symmetrisch zu einem gemeinsamen Bezugspunkt B im Raum in der angegebenen Weise paarweise angeordneten und gleich ausgerichteten elektrisch sehr kurzen Leiterelementen (Δ₁, Δ₂ bzw. Δ₃, Δ₄ bzw. Δ₅, Δ₆) besteht und dass – bewirkt durch die Erregung der Antenne an der Antennenanschlussstelle (3) – diese paarig als strahlende Elementarantennen Δ_n, Δ_m wirken und der in beiden zu einem Elementarantennenpaar gehörigen Elementarantennen (Δ_n, Δ_m) fließende Strom der Größe nach gleich ist und der Bezugspunkt für alle Elementarantennenpaare (Δ_n, Δ_m) in der Weise ein gemeinsames Phasenzentrum B bilden, dass das arithmetische Mittel der Phasen der beiden, in der jeweils gleichen Richtung gezählten Ströme eines Elementarantennenpaares für alle Elementarantennenpaare (Δ_n, Δ_m) den gleichen Wert besitzt.
Antenne nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass durch leitende Aneinandereihung von elektrisch sehr kurzen Leiterelementen Δ₁ um einen gemeinsamen Bezugspunkt eine Schleifenantenne (14) mit einer an einer Stelle durch Unterbrechung der Schleife gestalteten Antennenanschlussstelle (3) gebildet ist und die Abmessungen der Schleife elektrisch hinreichend klein sind, so dass der Ringstrom dem Betrag nach an jeder Stelle gleich ist und zu jedem sehr kurzen Leiterelementen (Δ₁) ein Paar bildendes korrespondierendes sehr kurzes Leiterelement (Δ₂) existiert. (5a)
Antenne nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass alle Leiterelemente (Δ₁, Δ₂, ...) in einer Ebene verlaufen und die Schleifenantenne (14) mit der Form eines regulären n-Ecks gestaltet ist, dessen Phasen-Bezugspunkt durch den Symmetriepunkt des n-Ecks gegeben ist.
Antenne nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenantenne (14) in der Form eines Kreisrings gestaltet ist und der Phasen-Bezugspunkt (B) durch den Mittelpunkt des Kreisrings gegeben ist.
Antenne nach Anspruch 17 und 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenantenne (14) aus mehreren geschlossenen Schleifen (15) mit gemeinsamem Phasen-Bezugspunkt B gebildet ist, jedoch in einer der Schleifen (15) durch Unterbrechung die Antennenanschlussstelle (3) gebildet ist.
Antenne nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenantenne (14) aus mehreren leitend aneinander gereihten Schleifen (15) in im Wesentlichen zueinander parallelen Ebenen mit möglichst geringem Abstand voneinander in Form einer Spule gestaltet ist, so dass für alle Schleifen (15) ein im Wesentlichen gemeinsamer Phasen-Bezugspunkt gebildet ist und die Antennenanschlussstelle (3) durch die beiden Enden der Spirale gegeben ist.
Antenne nach Anspruch 17 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenantenne (14) nicht elektrisch klein ist und zur wirksamen elektrischen Verkürzungen mehrere an Unterbrechungsstellen (5) eingebrachte Kapazitäten (16) enthält, wodurch die Konstanz des Stromes nach Betrag und Phase auf den Leiterelementen (Δ₀, Δ₂, ...) hinreichend gegeben ist. (5a)
Antenne nach Anspruch 21 dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenantenne (14) etwa quadratisch in einer Ebene parallel zu einer im wesentlichen horizontalen leitenden Grundfläche (6) gestaltet ist und mit an Unterbrechungsstellen (5) eingebrachten Kapazitäten (16) sowohl die Konstanz des Stromes auf den Leiterelementen (Δ₁, Δ₂, ...) als auch das Vertikaldiagramm gestaltet ist.
Antenne nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass zur Gestaltung des Empfangs im Bereich des Elevationswinkels zwischen 25° und 65° mit azimutaler Rundcharakteristik die Schleifenantenne (14) im Abstand von etwa 1/16 bis 1/8 der Wellenlänge über der leitenden Grundfläche (6) platziert ist, die Seitenlange der Schleifenantenne (14) etwa 1/4 der Wellenlänge gewählt ist und längs der Leiterführung in Abständen von etwa 1/8 der Wellenlänge jeweils eine mit einer Kapazität mit einem Blindwiderstand von etwa –200 Ohm beschaltete Unterbrechungsstelle (5) eingebracht ist. (5b und c)
Antenne nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, dass im zentralen Phasen-Bezugspunkt ein elektrisch kurzer vertikaler Monopol (7) vorhanden ist und ein Verteilungsnetzwerk (10) vorhanden ist, dessen Eingang (24) als Antennenanschlussstelle (3) ausgeführt ist und die Schleifenantenne (14) und der Monopol (7) jeweils über eine elektrische Leitung von einem Ausgang des Verteilungsnetzwerks (10) in der Weise gespeist sind, dass die Phasen des in den Monopol (7) und in die Schleifenantenne (14) eingespeisten Stromes jeweils gleich sind. (9)
Antenne nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilungsnetzwerks (10) als ein Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk (31) mit separaten Anschlüssen für die Schleifenantenne (14) und den Monopol (7) in der Weise gestaltet ist, dass die Phasen des in den Monopol (7) und in die Schleifenantenne (14) eingespeisten Stromes zur Bildung des gemeinsamen Phasenzentrums B unter Berücksichtigung der Spiegelung Grundfläche (6) nahezu gleich sind und, dass die Gewichtung bei der Überlagerung der Wirkungen der Schleifenantenne (14) und des Monopols (7) in der Weise eingestellt ist, dass die Hauptrichtung des resultierenden vertikalen Richtdiagramms zwar für den Satellitenempfang eingestellt ist, dass das Richtdiagramm durch die Wirkung des Monopols (7) jedoch zu niedrigen Elevationswinkeln hin aufgefüllt ist. (9)
Antenne nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Gruppe von elektrisch sehr kurzen, im wesentlichen in einer horizontalen Ebene verlaufenden Leiterelementen (Δ₁, Δ₂, ...) elektrisch leitend aneinander gereiht sind und einen elektrisch kurzen Dipol (21) mit nahezu gleicher Phase der Ströme auf den Leiterelementen (Δ₁, Δ₂, ...) bilden, welcher an einer durch eine Unterbrechungsstelle (5) gebildeten Dipol-Anschlussstelle (22) gespeist ist und jeweils symmetrisch zum gemeinsamen Bezugspunkt B ein gleich geformter elektrisch kurzer Dipol (21) korrespondierend vorhanden ist, sodass zu jedem elektrisch sehr kurzen Leiterelement (Δ₁) auf einem Dipol (21) ein entsprechend korrespondierendes, im wesentlichen in derselben Ebene verlaufendes Leiterelement (Δ₂) auf dem korrespondierenden Dipol (21) existiert und beide ein Paar bildende Dipole (21) an der Dipol-Anschlussstelle (22) jeweils mit dem gleichen Strom dem Betrag nach gespeist sind und dass das arithmetische Mittel der Phasen dieser in der jeweils gleichen Richtung gezählten Ströme eines Dipolpaares (36) den gleichen Wert besitzt und dieser Wert für alle derart in derselben Ebene gebildeten Dipolpaare (36) gleich ist.
Antenne nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, dass die Dipole (21) geradlinig und zur Dipol-Anschlussstelle (22) symmetrisch und in einer horizontalen Ebene verlaufend gestaltet und die Dipol- Anschlussstellen mehrerer Dipolpaare (36) äquidistant auf einer horizontalen Kreislinie, deren Mittelpunkt den gemeinsamen Bezugspunkt B bildet, verteilt angeordnet und die Dipole (21) senkrecht zur Verbindungslinie zum Mittelpunkt der Kreislinie orientiert sind, so dass eine Kreisgruppenantennenanlage (9) gegeben ist und Letztere ein Verteilungsnetzwerk (10) mit mehreren Ausgängen (23) enthält, dessen Eingang (24) als Antennenanschlussstelle (3) ausgeführt ist und die Dipol-Anschlussstellen jeweils über eine elektrische Leitung an einen der Ausgänge des Verteilungsnetzwerks (10) angeschlossen sind und die Dipolpaare (36) mit gleichen Signalen nach Amplituden und Phasen gespeist sind. (13a)
Antenne nach Anspruch 27 dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisgruppe zur Erzeugung einer hinreichend runden azimutalen Strahlungscharakteristik eine hinreichende Anzahl von Dipolpaaren (36) enthält und über einer elektrisch leitenden horizontalen Grundfläche (6) in einem der Gestaltung der vertikalen Strahlungscharakteristik entsprechenden Abstand angeordnet ist. (13c)
Antenne nach Anspruch 28 dadurch gekennzeichnet, dass im zentralen Phasen-Bezugspunkt B ein elektrisch kurzer vertikaler Monopol (7) vorhanden ist und ein Verteilungsnetzwerk (10) vorhanden ist, dessen Eingang (24) als Antennenanschlussstelle (3) ausgeführt ist und die Kreisgruppenantennenanlage (9) und der Monopol (7) jeweils über eine elektrische Leitung (27) von einem Ausgang (23) des Verteilungsnetzwerks (10) in der Weise gespeist sind und die Phasen des in den Monopol (7) eingespeisten Stromes der Phasenlage der in die Kreisgruppenantennenanlage (9) eingespeisten Ströme bezüglich des gemeinsamen Phasen-Bezugspunkts B entsprechen.
Antenne nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, dass jedoch mehrere elektrisch kurze vertikale Monopole (7) paarweise symmetrisch zum zentralen Phasen-Bezugspunkt B angeordnet vorhanden sind und vom Verteilungsnetzwerk (10) in der Weise gespeist sind, dass das arithmetische Mittel der Stromphasen der paarweise angeordneten Monopole (7) und die Phase des in den zentralen Monopol (7) eingespeisten Stromes bezogen auf den Phasen-Bezugspunkt B jeweils gleich sind.
Antenne nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilungsnetzwerk (10) für die Verwendung der Antenne (1) als Diversity-Empfangsantenne in der Weise gestaltet ist, dass sowohl die Empfangssignale der Antenne (1) in Ansprüchen 26 bis 30 als auch die des vertikalen Monopols (7) und die zusammengefassten Empfangssignale der Kreisgruppenantennenanlage (9) jeweils getrennt voneinander alternativ zur Verfügung stehen.
Antenne nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilungsnetzwerk (10) für die Verwendung der Antennenanordnung als Diversity-Empfangsantenne in der Weise gestaltet ist, dass sowohl die Empfangssignale der Antenne in Ansprüchen 16 bis 25 als auch die des vertikalen Monopols (7) und die Empfangssignale der Schleifenantenne (14) jeweils getrennt voneinander alternativ zur Verfügung stehen. (14)
Antenne nach Anspruch 23 (6) dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskopplung (17) an der Antennenanschlussstelle (3) über eine daran angeschlossene symmetrische Zweidrahtleitung (26) gestaltet ist, wobei Letztere innerhalb der senkrecht zur Grundfläche (6) und symmetrisch bezüglich der Antennenanschlussstelle (3) orientierten Symmetrieebene SE der Antennenanordnung zur leitenden Grundfläche (6) geführt ist.
Antenne nach Anspruch 33 in Verbindung mit Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle des vertikalen Monopols (7) in Anspruch 24 die Zuleitung (18) zur Speisung der Schleifenantenne (14) als vertikal ausgerichtete Zweidrahtleitung (26) im Zentrum Z der Schleifenantenne (14) geführt ist und durch diese zum einen die Funktion eines Monopols (7) mit der Schleifenantenne (14) als Dachkapazität (12) und zum anderen die Speisung der Schleifenantenne (14) wahrgenommen ist und im zentralen Fußpunkt (19) auf der leitenden Grundfläche (6) zwei Auskopplungen (17) für die beiden auf diese Weise gebildeten Antenne vorhanden sind. (10)
Antenne nach Anspruch 34 dadurch gekennzeichnet, dass das unsymmetrische Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk (31) im Fußpunkt der Antennenanordnung dadurch realisiert ist, dass der eine Leiter der Zweidrahtleitung (26) über einen Blindwiderstand (41) mit der leitenden Grundfläche (6) leitend verbunden ist und der andere Leiter der Zweidrahtleitung (26) zur Anschlussstelle (28) der Antennenanordnung geführt ist und durch Wahl des Blindwiderstands (41) die Gewichtung des Empfangs des horizontal und des vertikal polarisierten elektrischen Feldes eingestellt ist. (15)
Antenne nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass jedoch zusätzlich für den Empfang von Signalen mit niedrigeren Frequenzen – wie zum Beispiel AM/FM-Rundfunksignalen – eine größere Gesamtlänge h_g gestaltet ist und der über die für den Satellitenempfang notwendige Länge h hinausgehende Teil der stabförmigen Antenne über eine Unterbrechungsstelle (5) abgetrennt ist und dieses Teil, abhängig von seiner Länge, mit einer oder mehreren Unterbrechungsstellen (5) in Abständen von weniger als 1/5 λ versehen ist und diese jeweils mit einem auf die Mittenfrequenz f_m = f_r der Satelliten-Frequenzbänder abgestimmten Resonanzschaltung (39) beschaltet sind, welche bei dieser Frequenz hochohmig sind. (4)
Antenne nach Anspruch 17 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der senkrecht zur Grundfläche (6) und symmetrisch bezüglich der Antennenanschlussstelle (3) orientierten Symmetrieebene SE der Antennenanordnung zur leitenden Grundfläche (6) mindestens eine linear beziehungsweise flächig gestaltete Antenne für einen oder mehrere andere Funkdienste gestaltet ist. (16)
Antenne nach Anspruch 17 bis 25 und 32 bis 34 dadurch gekennzeichnet, dass vier in einem Quadrat über einer leitenden Grundfläche (6) angeordnete Schleifenantennen (14) vorhanden sind, welche im wesentlichen als rechteckigförmige Rahmenantennen (42) gestaltet sind, deren Rahmenflächen senkrecht zur leitenden Grundfläche (6) orientiert sind und welche symmetrisch zur Grundfläche in der Weise erregt sind, dass aus beiden Fußpunkten einer Rahmenantenne (42) jeweils eine Antennenanschlussstelle (3) gebildet ist und die beiden Antennenanschlussstellen (3) durch eine λ/2-Symmetrierleitung (43) miteinander verbunden sind und jeweils eine der beiden Antennenanschlussstellen (3) einer Rahmenantenne (42) mit einer elektrischen Leitung (27) gleicher Länge, ausgehend von der gemeinsamen Anschlussstelle (28) der Antennenanordnung in der Weise gespeist ist, dass alle horizontalen Rahmenteile demselben Umlaufsinn folgend erregt sind. (13b)
Antenne nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Richtdiagramme der Stabantenne (32) und der Schleifenantenne (14) deckungsgleich und bezüglich der Hauptrichtung für den Empfang der Satellitensignale eingestellt sind und ein Anpassnetzwerk (25) für die Schleifenantenne (14) und ein Anpassnetzwerk (33) für den Monopol (32) in die Form vorhanden sind, dass ein gemeinsames Phasenzentrums B gebildet ist und die beiden Ausgängen der Anpassnetzwerke (32, 33) mit den Eingängen 48, 49 eines 90°-Hybridkopplers (45) verbunden sind, so dass ein Ausgang 46 für LHCP-Wellen und der andere Ausgang (47) für RHCP-Wellen gestaltet ist. (19a, 21))
Antenne nach Anspruch 35 dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenantenne (14) mit zwei einander gegenüberliegenden Antennenanschlussstellen (3) und daran angeschlossenen und in der Schleifenebene befindlichen Anpassnetzwerken (25) und deren Ausgänge addierend parallel geschaltet sind, gestaltet ist und dass das unsymmetrische Leistungsteiler- und Phasenschiebernetzwerk (31) im Fußpunkt der Antennenanordnung dadurch realisiert ist, dass der eine Leiter der Zweidrahtleitung (26) über einen Blindwiderstand (41) mit der leitenden Grundfläche (6) leitend verbunden ist und der andere Leiter der Zweidrahtleitung (26) zur Anschlussstelle (28) der Antennenanordnung geführt ist und durch Wahl des Netzwerk (53) aus Blindwiderständen die Gewichtung des Empfangs des horizontal und des vertikal polarisierten elektrischen Feldes eingestellt ist. (20)
Antenne nach Anspruch 40 dadurch gekennzeichnet, dass LHCP/RHCP-Umschalter (55) zur Vertauschung der Polarität der Empfangsspannung der Schleifenantenne (14) vorhanden sind und die Empfangsspannung der Schleifenantenne (14) mit unterschiedlichem Vorzeichen der Empfangsspannung aus dem vertikal polarisierten elektrischen Feld hinzugefügt ist, so dass wahlweise der Empfang von LHC- und RHC- polarisiertem Feld durch Umschaltung der LHCP/RHCP-Umschalter 55 gegeben ist. (22)