DE4327917A1 - Magnetische Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Antenne, mit einem Antennenleiter in Gestalt eines Ringes, dessen Umfangslänge vorzugsweise kleiner als λ/2 ist.

Solche Antennen sind auch unter dem Namen Loop-Antennen bekannt. Dieser Aus­ druck läßt klar erkennen, daß es sich um eine Schleife (loop) handelt, in der ein hochfrequenter Strom fließt. Im Vergleich zu einem Halbwellendipol ist der Strom in der Schleife sehr viel stärker. Dies hat dazu geführt, dem Strom starke, "magne­ tische" Wirkungen zuzuschreiben, und deshalb die Bezeichnung "magnetische Antenne". Hier wie im folgenden wird der Ausdruck "magnetische Antenne" nur deshalb gebraucht, weil er zur deutschen Fachsprache gehört; in Wirklichkeit han­ delt es sich um eine elektromagnetische Antenne, von denen die Schleifenantenne oder Loop-Antenne eine von vielen ist. Solche Loop-, Schleifen- oder "magne­ tischen" Antennen bevorzugen bei der Abstrahlung im Nahfeld die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes, was sie gegenüber dämpfenden Zimmerwänden, Betondecken und dergleichen verhältnismäßig unempfindlich macht.

Magnetische Antennen sind u. a. bekannt aus der Funk-Peiltechnik. Sie bestehen im allgemeinen aus einem elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Ring, z. B. aus Kupfer oder Aluminium mit einer Umfangslänge, die vorzugsweise kleiner als λ/4 ist. Der Ring ist an einer Stelle aufgetrennt, und im Bereich der Trennstelle ist eine variable Kapazität, insbesondere ein Drehkondensator, zur Frequenzab­ stimmung eingefügt. Auf der dieser Trennstelle (diametral) gegenüberliegenden Seite erfolgt z. B. eine niederohmige (50 Ω-) Einspeisung mit Anpassung entweder induktiv über eine im Durchmesser erheblich kleinere Schleife oder über eine sogenannte Gamma-Anpassung. Eine solche Gamma-Anpassung funktioniert so, daß der Schirm einer unsymmetrischen Speiseleitung (Koaxkabel) am Erdungspunkt der Schleife (Strommaximum, diametral zum Abstimmkondensator) angeschlossen wird und der Innenleiter rechts oder links davon in einem vorbestimmten Abstand (Anpassung 50 Ω) galvanisch angeschlossen wird (siehe Rothammel, Antennen­ buch, 11. Auflage 1989, S. 375, Bild 20.4b) - D1 -.

Hochohmig kann z. B. über einen Seriellkondensator am frequenzbestimmenden Drehkondensator eingespeist werden. Eine solche magnetische Antenne ist z. B. be­ kannt aus EP 0 200 078 B1, Fig. 2, oder aus (D1), siehe Bild 20.3b auf S. 375.

Wird eine solche bekannte magnetische Antenne auf Resonanz abgestimmt, so ist das Strommaximum gewöhnlich an der Stelle der Schleife, die dem Drehkondensa­ tor diametral gegenüberliegt. Der Strom verhält sich fast wie ein Gleichstrom, der an allen Stellen der Schleife mit gleicher Stärke fließen würde, oder anders ausge­ drückt: der Strom in der Schleife ist quasistationär. Dies ist die Ursache der gerin­ gen Bündelung der Abstrahlung einer magnetischen Antenne. Das Strahlungsdia­ gramm entspricht mit ganz geringer Abweichung einem Doppelkreis, vgl. Fig. 2 der anliegenden Zeichnung. Dieses Diagramm ist als Diagramm des magnetischen Elementarstrahlers allgemein bekannt. Der Gewinn im Vergleich zu einem Halb­ wellendipol ist g = -0,39 dB. Dieser negative Gewinn bedeutet also einen Verlust von rund einem halben dB, der im wesentlichen durch die Bauform verursacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Antenne der eingangs definierten Art zu schaffen, die im Vergleich zur beschriebenen bekannten magneti­ schen oder Schleifen-Antenne eine schärfere Richtwirkung und einen höheren Ge­ winn aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist eine magnetische Antenne mit einem Antennenleiter in Gestalt eines Ringes, dessen Umfangslänge vorzugsweise kleiner als λ/2 ist, bei der die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst wird, daß der Antennen­ leiter zur Bildung von zwei Strahlungsquellen an zwei einander diametral gegen­ überliegenden Stellen aufgetrennt ist und in die beiden Trennstellen je eine die an­ liegenden Enden der beiden Ringhälften elektrisch miteinander verbindende Kapazi­ tät eingefügt ist, wobei die beiden, die Strahlungsquellen bildenden Ringhälften (1a, 1b) jeweils kleiner als λ/4 sind und wobei die beiden Kapazitäten abstimmbar sind und eine der beiden Trennstellen als Energie-Einspeise- bzw. -Auskoppelstelle dient. Bezogen auf die empfangenen oder gesendeten elektromagnetischen Wellen der Wellenlänge λ gilt also, daß jede Ringhälfte vorzugsweise < λ/4 ist und beide zusammen, also der Ring vorzugsweise < λ/2 dimensioniert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem in folgendem zu sehen: Durch die Größe der einen bzw. (in der Zeichnung oder auch in der Praxis) oben liegenden Kapazität, die im Idealfall genauso groß ist wie die frequenzbestimmende Kapazität an der unteren Einspeisestelle, wird die kreisförmige magnetische An­ tenne in zwei magnetische Antennen aufgeteilt. Dadurch kommen zwei Strahlungs­ quellen zur Wirkung. Eine Doppelquelle ist stets besser als eine einzige Strahlungs­ quelle. In der Praxis ist die obere Kapazität z. B. ein einstellbarer Trimmer. Auf diese Weise werden in beiden Halbwindungen die Strommaxima an den Äquator der kreisförmigen Schleife verlegt, wo sie als gegenphasige Stromelemente mit 180° Phasenunterschied für eine kräftige Längsstrahlung in der Ebene der Kreisschleife sorgen und gleichzeitig die höchst überflüssige Steilstrahlung reduzieren. In der Senkrechten heben sich nämlich die Strahlungen der gegenphasigen Strommaxima weitgehend auf. Analoges gilt für die Querstrahlung, die ebenfalls vermindert wird. Die neue Antenne nach der Erfindung hat ohne weitere Maßnahmen bereits eine Bandbreite von 1 MHz im 2m-Band. Damit sie für das gesamte 2-m-Band ver­ wendbar ist, wird sie zweckmäßigerweise an ihrer Speisestelle mit einem handels­ üblichen UKW-Drehkondensator von 2 × 10 pF abgestimmt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie ihre Wirkungsweise werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine magnetische oder Schleifen-An­ tenne (magnetic loop) nach der Erfindung,

Fig. 2 das Strahlungsdiagramm einer bisher bekannten Schleifenantenne,

Fig. 3 ein Strahlungsdiagramm für eine magnetische Antenne nach der Erfin­ dung.

Fig. 4 eine Variante zu einem Detail der magnetischen Antenne nach Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 hat die kreisförmige Schleife 1 einer magnetischen Antenne MA, bestehend aus einem z. B. 2 mm dicken Draht aus Kupfer oder Aluminium, im Fußpunkt eine erste Trennstelle T1 und im Scheitelpunkt eine zweite Trennstelle T2. Die beiden Trennstellen T1, T2 sitzen damit an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen der Schleife bzw. des Ringes 1, so daß zwei Halbkreise oder Ringhälften 1a, 1b gebildet werden. In die beiden Trennstellen T1, T2 ist je eine die anliegenden Enden der beiden Ringhälften 1a, 1b elektrisch miteinander verbindende Kapazität C1 bzw. C2 eingefügt. Wie es der Abstimmpfeil zum Ausdruck bringt, sind die beiden Kapazitäten C1, C2 abstimmbar. Eine der beiden Trennstellen (T1) dient als Energie-Einspeise-Stelle, wenn die dargestellte magnetische Antenne MA als Sendeantenne dient, oder als Energie-Auskoppelstelle, wenn die Antenne MA als Empfangsantenne dient. Beide Kapazitäten C1, C2 besitzen vorzugsweise den gleichen Wert. Deshalb befindet sich in der Mitte jeder der beiden Ringhälften 1a, 1b ein Strommaximum I_max. Zusätzlich ergibt sich eine Phasenverschiebung von 180° zwischen beiden Maxima aufgrund des zusätzlichen Kondensators C2. Wenn die Umfangslänge der Antenne MA kleiner als λ/2 ist, dann ist der Abstand beider Maxima I_max kleiner als λ/2π. Die Spannungsmaxima U_max befinden sich dagegen im Bereich der beiden Trennstellen T1 und T2. Jede der beiden Ringhälften 1a, 1b hat damit eine Strom/Spannungsverteilung wie ein verkürzter λ/2-Dipol, bei dem die Einspeise-(Auskoppel-)Stelle im Bereich der Strommaximums I_max zu denken wäre.

Jede der beiden Kapazitäten C1, C2 hat - im Vergleich zu einer magnetischen Be­ zugsantenne etwa gleicher Abmessungen (jedoch mit einem Umfang < λ/4) und mit einem nur einfach aufgetrennten Ring sowie mit einer einzigen, in die Trennstelle eingefügten Abstimmkapazität - in etwa den doppelten Kapazitätswert wie die Abstimmkapazität der Bezugsantenne.

Im Bereich der Energie-Einkoppel bzw. -Auskoppelstelle besteht die Kapazität C1 bevorzugt aus wenigstens zwei in Reihe zueinander geschalteten Teilkapazitäten C11, C12, wobei bei zwei Teilkapazitäten, wie dargestellt, der zwischen ihren einen Belägen a, b liegende Mittelabgriff 2 als der eine Pol P1 und der andere Belag c ei­ ner der beiden Teilkapazitäten C11 als der andere Pol P2 zum Anschluß eines Ein­ speise- oder Auskoppelkabels 3 dient. Bevorzugt ist der Mittelabgriff 2 an Masse M angeschlossen, d. h. P1 = M. Das Einspeise- bzw. Auskoppelkabel 3 ist an die bei­ den Pole P1, P2 über eine kleine Abstimmkapazität C3 von z. B. 2 pF angeschlossen. Das Kabel 3 hat einen Wellenwiderstand von etwa 50 Ω. Die Kapazität C1 kann von einem handelsüblichen UKW-Drehkondensator von 2 × 10 pF gebildet sein. Der Phasenschieber-Kondensator C2 am Scheitel der Schleife 1 muß möglichst die glei­ che resultierende Kapazität haben, d. h. 5 pF. Mit I (ϕ)ist die sichelförmige Stromverteilung auf den beiden Ringhälften 1a, 1b bezeichnet, die jeweils auf halber Umfangslänge ihr Strommaximum I_max haben.

Durch Ändern der abstimmbaren Kapazität C3 kann die Welligkeit auf dem Kabel 3 auf das gewünschte Minimum gebracht werden.

Gemäß Fig 4 kann das Detail der Ein-/Auskoppelstelle im Bereich der Kapazität C1 zusätzlich zu den Teilkapazitäten C11, C12 mit zwei weiteren abstimmbaren Kapazitäten C13 und C14 versehen werden, die jeweils in Reihe zu C11 bzw. C12 geschaltet sind und zur Einstellung der Mittenlage der Strommaxima I_max auf den Ringhälften 1a, 1b dienen.

Fig. 2 zeigt, wie gesagt, das Strahlungsdiagramm einer herkömmlichen Schleifen­ antenne mit nur einer Trennstelle und folglich nur einer Strahlungsquelle. Das Strahlungsdiagramm entspricht mit ganz geringer Abweichung einem Doppelkreis. Ein solches Diagramm ist allgemein bekannt als ein Diagramm des magnetischen Elementarstrahlers (vgl. Hille-Krischke, "Das Antennenlexikon") und entspricht dem Diagramm des elektrischen Elementarstrahlers, bei dem E- und H-Ebene ver­ tauscht worden sind.

In Fig. 3 wird der Gewinn der magnetischen Antenne gemäß der Erfindung doku­ mentiert. Man erkennt die relativ schlanken Strahlungskeulen 4, 5, die nach vorne und nach hinten gleich groß sind. Das Vor-Rück-Verhältnis ist 1 oder im logarith­ mischen Maßstab 0 dB. Die bei kleinen Antennenschleifen ohnehin geringe Seit­ wärtsstrahlung ist noch weiter reduziert, so daß die neue Antenne auch für Mini­ mumpeilungen gut geeignet ist.

In Fig. 2 ebenso wie in Fig. 3 zeigt die Schleifenebene von links nach rechts. Der Gewinn der Antenne MA nach der Erfindung dokumentiert sich gemäß Fig. 3 in den schlanken Strahlungskeulen 4, 5, die nach vorne und nach hinten gleich groß sind, wie bereits erwähnt. Vergleichbar ist das Strahlungsdiagramm nach Fig. 3 mit demjenigen, das von zwei Punkt-Strahlungsquellen erzeugt wird, welche die gleiche Amplitude und die gleiche Phase besitzen, sich aber im Abstand von λ/2 (entsprechend 180°) voneinander befinden, wobei die E-Feld-Vektoren mit den H-Feld-Vektoren vertauscht sind. Vergleiche hierzu Kraus, Antennas, Seiten 118- 119, Mc Graw-Hill 1988.

Bei vertikaler Aufstellung der Antenne MA ist für eine erhebliche Unterdrückung der Steilstrahlung gesorgt, die für den Kurzwellen-Weitverkehr und die gute UKW- Bodenversorgung schädlich ist.

Claims (7)

1. Magnetische Antenne, mit einem Antennenleiter in Gestalt eines Ringes, dessen Umfangslänge vorzugsweise kleiner als λ/2 ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenleiter (1) zur Bildung von zwei Strahlungsquellen an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen aufgetrennt ist und in die beiden Trennstellen (T1, T2) je eine die anliegenden Enden der beiden Ringhälften (1a, 1b) elektrisch miteinander verbindende Kapazität (C1, C2) eingefügt ist, wobei die beiden, die Strahlungsquellen bildenden Ringhälften (1a, 1b) jeweils kleiner als λ/4 sind und wobei die beiden Kapazitäten abstimmbar sind und eine der beiden Trennstellen (T1) als Energie-Einspeise- bzw. -Auskoppelstelle dient.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kapazitäten den gleichen Wert besitzen.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Kapazitäten (C1, C2) - im Vergleich zu einer magnetischen Bezugsantenne etwa gleicher Abmessungen und mit einem nur einfach aufgetrennten Ring sowie mit einer in die Trennstelle eingefügten Abstimmkapazität - in etwa den doppelten Kapazitätswert hat wie die Abstimmkapazität der Bezugsantenne.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß im Bereich der Energie-Einkoppel- bzw. -Auskoppelstelle (T1) die Kapazität (C1) aus wenigstens zwei in Reihe zueinander geschalteten Teilkapazitäten (C11, C12) besteht, wobei bei zwei Teilkapazitäten (C11, C12) der zwischen ihren einen Belägen (a, b) liegende Mittelabgriff (2) als der eine Pol (P1) und der andere Belag (c) einer der beiden Teilkapazitäten (C11, C12) als der andere Pol (P2) zum Anschluß eines Einspeise- oder Auskoppel-Kabels (3) dient.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabgriff (2) geerdet ist.

6. Antenne nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspeise- bzw. Auskoppel-Kabel (3) an die beiden Pole (P1, P2) über eine kleine Abstimmkapazität (C3) angeschlossen ist.

7. Antenne nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Teilkapazitäten (C11, C12) je eine weitere abstimmbare Kapazität (C13) bzw. (C14) in Reihe geschaltet sind, wobei diese weiteren Kapazitäten (C13, C14) zur Einstellung der Mittenlage der Strommaxima (I_max) auf den Ringhälften (1a, 1b) vorgesehen sind.