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Als übliche Richtantenne für elektromagnetische Wellen für ein schmales Frequenzband im Wellenlängenbereich über 10 cm wird im Richtfunk oder im Amateurfunk eine Richtantenne gefordert, die für einen Frequenzbereich von 5% bis 10% der Nutzfrequenz geeignet sein soll. Dazu werden zumeist Längsstrahler mit strahlungserregten Elementen, auch Yagi-Antennen genannt, mit einzelnen als Dipole auf einem Längsträger aufgereihten, stabförmigen Strahler-, Reflektor- und Direktorelementen verwendet. Aber es sind auch Antennen im Gebrauch, bei denen solche stabförmigen Dipolelemente durch rechteckige Drahtschleifen oder gegabelte Dipole ersetzt sind, um die nutzbare Bandbreite zu vergrößern.
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Die meisten dieser Antennen haben den Mangel, dass die erwünschte Eingangsimpedanz am Speisepunkt des Strahlerelementes nur für einen sehr kleinen Frequenzbereich reell ist und zudem im Realteil einen sehr kleinen Wert verschieden von den angestrebten 50 Ohm aufweist. Somit ist bei den meisten Frequenzen des genutzten Bereiches auf einem angeschlossenen Speisekabel mit einer Impedanz von 50 Ohm eine Welligkeit von Strom und Spannung vorhanden, die besonders bei Verwendung als Sendeantenne zu Verlusten führt. Daher müssen Anpassungsvorrichtungen eingesetzt werden, um ein Speisekabel zumindest auf einer Frequenz sauber anzupassen. – Außerdem sind diese Antennen durch die gestreckten Halbwellen-Dipolelemente mechanisch breit und windempfindlich.
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Durch Abbiegen der Elemente von Längsstrahlern mit länglichen und stabförmigen Elementen (Anspruch 1) kann bei gleichem Gewinn eine erhebliche Verringerung der Baugröße und eine erhebliche Vergrößerung der Bandbreite erreicht werden. Die Antenne gewinnt durch die verstärkte Kopplung mittels der gegenseitigen Annäherung der Elemente auch elektrisch Bandpass-Eigenschaften (Ansprüche 1 bis 10). Dazu muss aber mindestens ein strahlungserregtes Direktorelement D neben dem Strahlerelement S und einem Reflektor R eingesetzt werden (siehe Zeichnung 1).
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Auf einem Längsträger T sind erfindungsgemäß in der Regel ein Reflektorelement R, ein Strahlerelement S und mehrere Direktorelemente D aufgereiht (siehe z. B. Zeichnung 3), die in dieser Reihenfolge in der Gesamtlänge kürzer werden und im groben Gesamtmittel eine halbe Betriebswellenlänge Längenausdehnung aufweisen. Die meisten Elemente werden vom Ende her bei 1% bis 20% ihrer Länge beidseitig in Richtung auf das nächste längere Element zu abgebogen (Ansprüche 1 bis 4). Lediglich das Reflektorelement wird auf das Strahlerelement hin abgebogen.
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Durch das Abwinkeln wird die seitliche Ausdehnung der Antenne entsprechend reduziert und weist gegenüber der vergleichbaren, konventionellen Antenne eine wesentlich geringere Größe auf. Bei einer Antenne mit drei oder vier Elementen (siehe z. B. Zeichnung 1 oder Zeichnung 2) wird so die Baugröße auf bis zur Hälfte der eingenommenen Fläche einer gleich leistungsfähigen Yagi-Antenne mit gleicher Elementzahl reduziert, weil neben der seitlichen Ausdehnung auch die Länge reduziert ist. Die Längenreduzierung dient einer stärkeren Kopplung der Elemente durch gegenseitige Annäherung, besonders mittels der abgebogenen Elementenden.
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Bei einer großen Vielfalt von Elementdicken etwa von 0,01% bis über 1% der Wellenlänge oder etwa 1 mm bis 50 mm kann mit den angegebenen Elementabständen eine weitgehend konstante Eingangsimpedanz von 50 Ohm oder auch 75 Ohm über einen Wellenlängenbereich von 4% bis 8% Prozent Breite erreicht werden. Wegen dieser Eigenschaft wird diese Antenne als Bandantenne („Ban(d)tenna”) bezeichnet. Mit einer geeigneten Mantelwellensperre können so die üblichen Koaxialkabel direkt angeschlossen werden. Der Gewinn hängt wie bei einer Yagi-Antenne von der Zahl der Direktorelemente ab. Deren Abstände können aber bei gleichem Gewinn geringer als bei der konventionellen Yagi-Antenne gehalten werden. Eine besonders günstige Konfiguration ergibt sich bei vier Elementen, weil neben den genannten Eigenschaften zusätzlich die Rückstrahlungsdämpfung von den normalen Werten um 15 dB bis auf 20 dB erhöht wird. Durch Zufügung von weiteren Elementen werden der Gewinn und die Rückstrahlungsdämpfung weiter gesteigert.
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Ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Zeichnung 1. Hier ist eine Dreielement-Antenne mit Reflektorelement R, Strahlerelement S und Direktorelement D, die in dieser Reihenfolge in der Gesamtlänge kürzer werden, gezeigt. Die Länge der Elemente beträgt im gestreckten Teil etwa 37% (2X1) der mittleren Wellenlänge. Der abgeknickte Teil nimmt von 6,6% (A1) bis auf 3,9% (G1) der mittleren Wellenlänge ab. Der Mittelteil des Reflektorelements R hat einen Abstand von 14,9% (A1 + B1 + C1) der mittleren Wellenlänge vom Strahlerelement S. Der Mittelteil des Direktorelements D hat einen Abstand von 14,7% (F1 + G1) der mittleren Wellenlänge vom Strahlerelement S. Die Elemente sind auf dem Längsträger T mit einer Länge von etwa 30% der mittleren Wellenlänge montiert. Das Strahlerelement S ist in der Mitte zwecks Einspeisung bei Sp unterbrochen und wird dort über ein Symmetrierglied an eine koaxiale Zuleitung mit 50 Ohm Wellenwiderstand angeschlossen. Die im oberen Teil der Zeichnung eingetragenen Werte a1 = 1,39 m; b1 = 0,53 m; c1 = 1,22 m; f1 = 2,28 m; g1 = 0,83 m; x1 = 3,95 m geben die Längen der Teilstücke und Abstände in Meter für eine Bandantenne von 13,8 MHz bis 14,6 MHz mit der Mittenfrequenz von 14,2 MHz an. Die Länge des Trägers T beträgt 6,3 m, das entspricht etwa 30% der mittleren Betriebswellenlänge. Damit hat die Antenne einen nahezu quadratischen Grundriss. Die Elemente sind hier als in Kunststoff eingebettete Drähte von d = 3 mm ausgeführt. Bei größeren Durchmessern werden leicht modifizierte, kürzere Längen der Elementabschnitte eingesetzt.
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Die unten in der Zeichnung 1 eingetragenen Prozentwerte X1 = 18,7%; A1 = 6,6%; B1 = 2,5%; C1 = 5,8%; F1 = 10,8%; G1 = 3,9%; geben die Längen der Elementabschnitte und Elementabstände für andere Frequenzen als Teil der Wellenlänge an. Die Elementdurchmesser skalieren mit dem Frequenzverhältnis (0,014%). In dieser Anordnung wird für die 14 MHz Bandantenne bei einem Freiraumgewinn von etwa 7 dBi eine Bandbreite von 800 kHz mit einem Stehwellenverhältnis (SWR) s < 1,5 erzielt. Das entspricht einer relativen Bandbreite, bei der keine zusätzlichen äußeren Anpassungs-schaltungen für ein 50 Ohm-Kabel erforderlich sind, von über 5%. Ein 50 Ohm-Kabel kann also bei Sp direkt über ein Symmetrierglied angeschlossen werden.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Zeichnung 2. Hier ist eine 4-Element Bandantenne für eine Mittenfrequenz von 50 MHz mit ihren Abmessungen in Meter im oberen Teil der Zeichnung mit a2 = 0,4 m; b2 = 0,15 m; c2 = 0,35 m; f2 = 0,2 m; g2 = 0,27 m; h2 = 0,89 m; j2 = 0,23 m; x2 = 1,12 m angegeben. Die vier Elemente sind hier aus Metallrohr von d = 10 mm Durchmesser ausgeführt. Die Bandbreite mit einem SWR s < 1,5 ist hier 4 MHz was 8% entspricht. Durch die größere Zahl der Elemente steigt der Freiraumgewinn auf 9 dBi an. Die Rückstrahlungsdämpfung beträgt etwa 20 dB. Bei einem Längsträger T von 2,5 m Länge ist die Antenne noch fast quadratisch im Grundriss. Bei dieser Ausführung ist ein Optimum der Leistung bezogen auf die Größe und den erzielbaren Gewinn der Bandantennen erreicht. Im unteren Teil der Zeichnung 2 sind wieder die Abmessungen A2 = 6,6%; B2 = 2,5%; C2 = 5,8%; F2 = 3,3%; G2 = 4,5%; H2 = 14,8%; J2 = 3,8%; X2 = 19% in Prozent der Betriebswellenlänge für andere Frequenzbänder angegeben. Der Durchmesser der Elemente E ist dann circa 1 Promille der mittleren Wellenlänge.
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Bei einer Ausführung nach Zeichnung 3 mit fünf Elementen steigt der Freiraumgewinn nur noch wenig auf ca. 9,2 dBi an. Die Rückstrahlungsdämpfung erhöht sich jedoch auf ca. 30 dB. Durch die größere Längsausdehnung des Trägers T von gut einer halben Wellenlänge (52,75% = Summe M3 = 14,8%; N3 = 8,74%; O3 = 10,67%; P3 = 18,54%) dieser Ausführung erfolgt die Anwendung bevorzugt bei hohen Frequenzen über 30 MHz, wo die absolute Länge dieser Ausführung nicht stört. Bei Frequenzen über 300 MHz kann auch eine Ausführung der Antenne als gedruckte Schaltung nach Anspruch 10 infrage kommen. Die Abmessungen der einzelnen Elementabschnitte und deren Abstände sind in Zeichnung 3 in Prozent der mittleren Wellenlänge (a3 = 6,53%; b3 = 2,52%; c3 = 5,76%; e3 = 4,2%; f3 = 4,54%; g3 = 7,04%; h3 = 3,63%; j3 = 14,9%; k3 = 3,62%) für einen Elementdurchmesser von von 0,1% angegeben. Bei größeren Durchmessern werden die Elemente geringfügig kürzer und die Abstände M3 bis P3 etwas größer. Die Querabmessung (Breite) beträgt L3 = 37,1% der mittleren Wellenlänge.
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Eine wesentliche Steigerung des Gewinns um ca. 3 dB lässt sich durch Parallelschaltung zweier Bandantennen im Abstand von mindestens 0,5 Wellenlängen erreichen. Zur Erzielung verschiedener Polarisation der Strahlung kann man die Bandantennen auch in üblicher Weise um die Trägerachse um 90 Grad drehen.
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Selbstverständlich lassen sich die herausragenden Breitband-Eigenschaften der Bandantenne auch mit abgeänderten Formen und geringfügig geänderten Abständen der Elemente erreichen (Zeichnung 4). Besonders das Verhältnis der Längen von Mittelteil zu den abgebogenen Seitenteilen lasst sich ohne wesentliche Änderung der beschriebenen Eigenschaften variieren. Die Gesamtlänge der Elemente ist aber fast konstant, wie in den Zeichnungen 1–3. Auch gestufte Elementdurchmesser werden aus mechanischen Gründen angewandt. Zeichnung 4 zeigt hierzu einige Beispiele von verschiedenen Bauweisen der Bandantenne. Im Zeichnungsteil I ist eine Ausführung mit mehr Direktorelementen D1–D4, bei II eine Version, bei der Mittelteile und Seitenteile verschiedene Dicke haben und schließlich bei III eine Variante mit anders als 90 Grad abgewinkelten Seitenteilen gezeigt. Darüber hinaus sind auch sanft abgebogene Elemente, im Ganzen gekrümmte Elemente, wie in IV, kontinuierlich oder stufig im Durchmesser verjüngte Elemente und verschiedene Querschnittsformen anwendbar. Auch können die Mittelteile der Elemente unterschiedlich lang sein, wobei dann aber durch Veränderung der Länge des abgebogenen Elementabschnittes ein Ausgleich geschaffen wird. Außerdem werden – wie üblich – zur Steigerung der Wirksamkeit auch zusätzliche Elemente oberhalb und unterhalb der Antennenebene in einem geringen Abstand angeordnet, wie in V. Wichtig ist dabei, dass die Anordnung im Ganzen dem beschriebenen Schema der auf das abgebogene Reflektorelement hin abgebogenen Elemente ähnlich ist. Dabei kann in einer besonderen Variante das Strahlerelement auch aus zwei T-förmigen Hälften, bei denen die Elementenden nach zwei Seiten abbiegen, bestehen.
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Nach Anspruch 10 kann durch Einfügen von konzentrierten Schaltelementen also zum Beispiel von Spulen, Kondensatoren oder auch Leiterschleifen in die Elementabschnitte die Resonanzfrequenz der Elemente so verstimmt werden, dass die Antenne insgesamt für ein anderes Frequenzband eingesetzt werden kann. Dabei bleiben die Vorzüge des Konzeptes erhalten, solange die Änderung der Mittenfrequenz nicht größer als 50% der Grundfrequenz der unbeschalteten Antenne ist. Es ist so möglich, umschaltbare Antennen für verschiedene, benachbarte Bänder zu bauen, bei denen die mechanische Struktur der Elemente unverändert dieselbe ist. – Das Einfügen von konzentrierten Schaltelementen nach Anspruch 10 ermöglicht aber auch die Elementabschnitte und mithin die Elemente und die Antennenstruktur in Gänze mechanisch identisch auszuführen und die elektrischen Eigenschaften durch die eingefügten Schaltelemente einzustellen.
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Die neue Bandantenne – auch Ban(d)tenna) benannt – hat also als wesentliches Merkmal eine relative Bandbreite von bis zu 8% bei einem Stehwellenverhältnis s < 1,5 und einer Impedanz von 50 Ohm. Für den üblicherweise zur Definition der Bandbreite herangezogenen Wert s = 2 ist die relative Bandbreite sogar über 10%. Die Antenne hat in der angegebenen Ausführung mit vier Elementen einen Freiraumgewinn von etwa 9 dBi. Bei dieser Antenne wird die Baugröße auf bis zu 50% der eingenommenen Fläche einer üblichen Yagi-Antenne für die gleiche Frequenz reduziert. Die Dicke der Elemente kann ohne Änderung der elektrischen Eigenschaften von 0,01% bis 1% der Betriebswellenlänge je nach den konstruktiven und mechanischen Erfordernissen variiert werden. Dabei können auch gestufte Durchmesser verwendet werden. Diese erleichtern auch eine Längenäderung zwecks Abstimmung durch Verschiebung der Teilstücke. Der Eingangswiderstand lässt sich zudem durch kleine Variationen der Elementabstände und -längen auf 50 Ohm bzw. 75 Ohm oder andere Werte einstellen.
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Anwendung findet die Bandantenne im Richtfunk oder im Amateurfunk wo eine Richtantenne gefordert wird, die für einen Frequenzbereich von 5% bis 10% der Nutzfrequenz vor allem für Sendezwecke bestens geeignet sein soll. Auch bei besonderen Anforderungen an eine verringerte Baugröße, wie sie zum Beispiel für tragbare Peilantennen interessant ist, kann die Bandantenne vorteilhaft Anwendung finden. Ein besonderer Vorzug ergibt sich bei erhöhten Anforderungen an die mechanische Stabilität, weil die Abmessungen gegenüber konventionellen Antennen verringert sind und überdies die abgebogenen Elementenden durch kurze, isolierende Verbindungsstücke zur Erhöhung der Festigkeit mit dem Nachbarelement verbunden werden können. Wird die Antenne nach Anspruch 9 als gedruckte Schaltung ausgeführt, erweist sich die geringe Baugröße als besonders vorteilhaft.
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Bezugszeichenliste:
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Zeichnung 1:
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- T: Längsträger; E: Elemente; R: Reflektor; S: Strahler; D: Direktor; Sp: Speisestelle.
- a1, b1, c1, f1, g1, x1 und A1, B1, C1, F1, G1, X1 sind Elementabschnitte und deren Abstände.
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Zeichnung 2:
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- T: Längsträger; E: Elemente; R: Reflektor; S: Strahler; D1, D2: Direktoren; Sp: Speisestelle.
- a2, b2, c2, f2, g2, h2, j2, x2 und A2, B2, C2, F2, G2, H2, J2, X2 sind Elementabschnitte und deren Abstände.
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Zeichnung 3:
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- T: Längsträger; R: Reflektor; S: Strahler; D1–D3: Direktoren; Sp: Speisestelle.
- M3, N3, O3, P3 sind die Abstände der Mittelteile der Elemente.
- L3 ist die Länge der Mittelteile der Elemente.
- a3 bis k3 sind Elementabschnitte und deren Abstände.
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Zeichnung 4:
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- I, II, III, IV, V verschiedene Bauweisen der Bandantenne.
- R und R1, R2, R3: Reflektoren; S: Strahler; D1–D4: Direktoren; Sp: Speisestelle.
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Zeichnung 5 (zur Kurzfassung):
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T: Längsträger; E: Elemente; R: Reflektor; S: Strahler; D1, D2: Direktoren; Sp: Speisestelle.
