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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Breitbandantenne, die
für den Empfang auf Wellenlängen bestimmt ist, die vom
Zehnkilometerbereich (in Entsprechung zu dem VLF-Band der
angelsächsischen Literatur) zum Zehnmeterbereich (in Entsprechung zu
dem HF-Band der angelsächsischen Literatur) und sogar
Meterbereich (in Entsprechung zu dem VHF-Band der angelsächsischen
Literatur) geht.
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Es gibt Empfangsantennen, die von Zehnkilometerwellen bis zu
Zehnmeterwellen funktionieren. Allerdings sind diese Antennen
Aktivantennen, d.h. sie weisen aktive, nichtlineare Bauteile
wie Transistoren auf. Diese Antennen weisen verschiedene
Nachteile auf:
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- sie erfordern eine Versorgung;
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- sie sind aufgrund ihrer relativ großen Wirkhöhe sehr
empfindlich gegenüber Störsendern, die beispielsweise durch eine
nahegelegene Sendeantenne gebildet sind;
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- sie weisen aufgrund der zur Impedanzanpassung verwendeten
aktiven Bauteile starke Nichtlinearitäten auf, und diese aktiven
Bauteile erzeugen darüberhinaus ein starkes Rauschen;
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- sie sind sehr empfindlich gegenüber Störungen aufgrund von
elektromagnetischen Impulsen mit hoher Amplitude.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, diese
Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Dies wird durch die Kombination eines Strahlers, der speziell
so entworfen ist, daß er ein weites Nutzfrequenzband aufweist,
mit Kanälen erreicht, die so kalkuliert sind, daß sie eine
optimale Kopplung zwischen dem Strahler und den mit diesem
Strahler zu verbindenden Empfängern herstellen.
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Erfindungsgemäß ist eine Breitband-Empfangsantene
vorgeschlagen, die durch die Kombination eines Strahlers vom Typ des
umgekehrten Kegels, eines leitenden Trägers zum Anbringen des
Scheitelpunktes des Kegels in einer überhöhten Lage bezüglich
des Bodens mit einer Höhe nahe der Höhe des Kegels und einer
passiven Anpassungsschaltung mit n Kanälen (n: ganze positive
Zahl) für jeweils n Empfangsfrequenzbänder, wobei jeder Kanal
mit dem Strahlerelement gekoppelt ist und in Serie eine
Filterzelle zum Entkoppeln seines Bandes von Empfangsfrequenzen und
einen breitbandigen Tmpedanzanpassungstransformator umfaßt.
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Es ist zu bemerken, daß die Realisierung einer Antenne mit
einem umgekehrten Kegel aus der Patentschrift US-A-3 701 159
bekannt ist; die Spitze dieses Kegels ist dank eines Trägers
bezüglich des Bodens leicht überhöht, um eine gute elektrische
Isolierung zwischen dem Boden und der Spitze des Kegels zu
gewährleisten, wo die Antenne versorgt wird, und dafür zu sorgen,
daß die Antenne gut gegen klimatische Belastungen beständig
ist. Allerdings weist die in dieser Patentschrift beschriebene
Antenne einerseits weder einen Träger mit einer Höhe in der
Nähe derjenigen des Kegels noch eine Anpassungsschaltung auf, die
mit breitbandigen Impedanzanpassungstransformatoren
ausgestattet ist; damit handelt es sich hier um spezifische
Gegebenheiten der Erfindung, die zu einer "Breitband"-Antenne in dem
Sinne führen, der diesen Worten in dem vorliegenden Dokument
verliehen ist.
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Die vorliegende Erfindung ist leichter zu verstehen, und
weitere Merkmale ergeben sich mit Hilfe der folgenden Beschreibung
und der sich darauf beziehenden Zeichnungen, die folgendes
darstellen:
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- Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Antenne nach der
Erfindung;
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- Fig. 2 eine Teilansicht der Antenne nach Fig. 1 im
Schnitt; und
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- Fig. 3 das elektrische Schema der Antenne von Fig. 1.
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In den verschiedenen Figuren wurden die entsprechenden Elemente
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Fig. 1 zeigt eine Antenne nach der Erfindung, deren Strahler A
einen umgekehrten Kegel B aufweist, der von einer Dachlage T
überragt wird; der Kegel ruht auf einem Fuß P.
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Der umgekehrte Kegel B des Strahlers ist mittels acht
metallischer Stangen B1 bis B8 realisiert, die entlang der Erzeugenden
des Kegels regelmäßig angeordnet sind; der Kegel bildet einen
Winkel von 33 Grad, und die ihn bildenden Stangen sind 1,50
Meter lang. Ein Strahler des umgekehrten Kegeltyps wurde deshalb
gewählt, weil die "dicke" Struktur eines solchen Strahlers ihm
ein breites Betriebsband verleiht.
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Die Dachlage T ist aus acht Metallstangen mit einem Meter
gebildet, die sternförmig angeordnet und durch Nieten an den
oberen Enden der Stangen B1 bis B8 befestigt sind. Durch die
Anwesenheit dieser Dachlage läßt sich die Innenkapazität des
Strahlers stark erhöhen.
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Die Steifigkeit des Kegels und der Dachlage ist durch eine
vertikale Metallstange D verstärkt, die längs der nicht
dargestellten Achse des Kegels angeordnet ist; diese Stange D ist an
ihrem oberen Ende im Zentrum des durch die Dachlage gebildeten
Sterns befestigt. Die Befestigung der Stangen des umgekehrten
Kegels B an ihrem unteren Ende und der Stange D wird mit Hilfe
von Fig. 2 näher angegeben. Es sei bemerkt, daß die vollständig
im Inneren des Kegels angeordnete Stange D nicht an der
funktechnischen Aktivität des Strahlers teilnimmt.
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Der Fuß P weist einen vertikalen Metallzylinder P1 mit einer
Höhe von 1,20 Metern und einem Durchmesser von 18 Zentimetern
auf, der von einem Deckel P2 überragt wird, dessen Rolle darin
besteht, die mechanische Verbindung zwischen dem Zylinder und
dem Strahler zu gewährleisten und sie gleichzeitig elektrisch
gegeneinander zu isolieren; die Beschaffenheit des Deckels P2
wird mit Hilfe von Fig. 2 näher angegeben. Der Zylinder P1,
dessen Höhe in der Größenordnung derjenigen des Kegels B liegt,
ist über einen metallischen Sockel P3 am Boden befestigt, der
durch eine horizontale Platte und vier vertikale Winkel
gebildet ist, die an das untere Ende des Zylinders P1 geschweißt
sind. Die Verwendung eines Fußes wie des Fußes P, um den
Strahler bezüglich des Bodens zu überhöhen, wurde durch den Wunsch
bestimmt, die effektive Höhe der Antenne, d.h. das Verhältnis
zwischen der am Versorgungspunkt der Antenne verfügbaren
Spannung und dem in der Nachbarschaft der Antenne einfallenden Feld
zu erhöhen.
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Fig. 2 ist eine Teilansicht des Fußes P und des unteren Teils
des Strahlers A der Antenne von Fig. 1 in einer vertikalen
Schnittebene, die durch die Stange D verläuft. Zur einfacheren
Darstellung wurde es durch einen Ausschnitt, der durch zwei
unterbrochene gestrichelte Achsenlinien angedeutet ist, möglich,
in der Zeichnung die Länge des Fußes zu verringern, indem der
zentrale Teil weggelassen wurde, der mit dem oberen Abschnitt
des unteren Teils und mit dem unteren Abschnitt des oberen
Teils des Fußes identisch ist.
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Fig. 2 zeigt die metallische Platte des Sockels P3, die mit dem
unteren Ende des Zylinders P1 verschweißt ist und am Boden
ruht. Eine nicht dargestellte Befestigungseinheit ist dem
Sokkel zugeordnet; sie besteht aus Gewindestangen, die die Platte
des Sockels P3 vertikal durchsetzen, aus auf die Gewindestangen
geschraubten Bolzen, die an der Platte in Anlage kommen, sowie
aus in den Boden gegossenen Betonblöcken, in denen die unteren
Enden der Gewindestangen aufgenommen sind.
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Fig. 2 zeigt auch den Aufbau des oberen Teils des Fußes P mit
dem von den Stangen des Strahlers A und einer Entladungsstrecke
Y durchsetzten Deckel P2, mit einer gedruckten Schaltung G,
deren elektrisches Schema in Fig. 3 dargestellt ist, sowie mit
den Verbindungen zwischen dem Strahler, der gedruckten
Schaltung, dem Zylinder P1 und zwei koaxialen Ausgangssteckern S1-
S2, S3-S4 der Antenne, die die Wand des unteren Teils des
Zylinders P1 durchsetzen. Der Deckel P2 weist eine horizontale
Metallplatte J auf, die eine isolierende Platte K überdeckt,
die auf einem mit dem oberen Ende des Zylinders P1 fest
verbundenen Bund sitzt; die Befestigung der Platte K an dem Bund
einerseits und der Platte J an der Platte K andererseits ist
mittels nicht dargestellter Schrauben gewährleistet. Die
Entladungsstrecke Y, deren Gehäuse isolierend ist, ist durch eine
von oberhalb der Platte J zugängliche Haube geschlossen; die
Entladungsstrecke Y befindet sich über einen ihrer Anschlüsse
mit der Platte J und über den anderen Anschluß mit dem Zylinder
Pl in elektrischem Kontakt, mit dem sie über einen Metallträger
verbunden ist, der an die Innenwand des Zylinders P1 geschweißt
ist. Die gedruckte Schaltung G, die in dem Zylinder P1 in
unmittelbarer Nachbarschaft des Deckels angeordnet ist, ist eine
Anpassungsschaltung, die dazu bestimmt ist, die Kopplung
zwischen dem Strahler A und an die Buchsen S1-S2 und S3-S4
anzuschließende Empfänger zu ermöglichen; die von der gedruckten
Schaltung getragene Anpassungsschaltung befindet sich
einerseits an einem Punkt N dank einer Verbindung H, die nichts
anderes als die Verlängerung der Stange D unter den Deckel P2
ist, mit der Spitze des Kegels des Strahlers und andererseits
über den gesamten Umfang M der gedruckten Schaltung mit der
Innenwand des Metallzylinders P1 in elektrischem Kontakt; zwei
Kabel Q1, Q2 gewährleisten die Verbindungen zwischen der
gedruckten Schaltung G und den Buchsen S1-S2, S3-S4. Es ist zu
bemerken, daß die Stangen wie B1, B5 und D die Metallplatte J
über Löcher durchsetzen, an deren Wände sie derart geschweißt
sind, daß sie dem Strahler eine gute Steifigkeit verleihen und
an den unteren Enden aller Stangen ein strikt identisches
Potential gewährleisten.
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Fig. 3 ist ein elektrisches Schema der Antenne nach Fig. 1 und
2 mit zwei zusätzlichen Widerständen R und R', die an die
Buchsen S1-S2 bzw. S3-S4 angeschlossen sind; diese beiden
Widerstände stellen die Empfänger dar, die zum Anschluß an die
Antenne bestimmt sind. Fig. 3 stellt den Strahler A der Figuren 1
und 2 mit seinen Anschlüssen N und M dar, die dem Lastpunkt
bzw. der Masse der Antenne entsprechen.
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Zwischen den Anschlüssen M und N ist die Entladungsstrecke Y
eingeschaltet, die eine parasitäre Kapazität von 5 pF aufweist.
Diese Entladungsstrecke ist dazu gedacht, sich in Kurzschluß zu
setzen und so die ihr nachgeschalteten Bauteile zu schonen,
wenn sie einen durch den Strahler A detektierten
"elektromagnetischen Angriff" erfaßt. Diese Detektion greift ein, wenn
die Spannung an den Anschlüssen der Entladungsstrecke die
Schwellenspannung der Entladungsstrecke überschreitet; dann
findet eine Ionisierung des in dem Rohr der Entladungsstrecke
enthaltenen Gases statt, wodurch zwischen den Anschlüssen der
Entladungsstrecke ein elektrischer Bogen erzeugt wird, und
dieser Bogen, der den Kurzschluß bildet, bleibt über die Dauer der
Zeit der Störung bestehen.
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Zwischen die Anschlüsse M und N sind auch zwei Kanäle
geschaltet, die in die Widerstände R bzw. R' münden, die Empfänger
darstellen.
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Der erste Kanal, der hoher Kanal genannt wird, ist so
ausgelegt, daß er in einen Empfänger mündet, der im Band von 2-30
MHz arbeitet. Er weist in Reihe von dem Anschluß N bis zum
Anschluß M einen Widerstand R1 von 330 Ohm, einen Kondensator C1
von 220 pF und eine Induktivität L1 von 100 Mikrohenry auf; die
Primärwicklung eines Impedanzanpassungstransformators T1 mit
dem Verhältnis 4/1, von der ein Anschluß an Masse liegt, ist zu
der Induktivität L1 parallelgeschaltet, und seine
Sekundärwicklung, von der ein Anschluß an Masse liegt, ist mit dem
Widerstand R verbunden; ein in gestrichelten Linien gezeichneter
Kondensator C' stellt die parasitäre Kapazität in der
Größenordnung von 10 pF dar, die an der Primärwicklung des
Transformators T1 liegt.
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Der zweite Kanal, der tiefer Kanal genannt wird, ist so
ausgelegt, daß er in einen Empfänger mündet, der im Band von
20-100 kHz arbeitet. Er weist in Reihe von dem Anschluß N zu
dem Anschluß M einen Widerstand R2 von 10 Kiloohm und eine
Induktivität von 0,7 Henry auf. Ein Kondensator C2 von 100 pF ist
ebenso wie die Primärwicklung eines
Impedanzanpassungstransformators
T2 mit einem Verhältnis von 25/1 zu der Induktivität L2
parallelgeschaltet; die Sekundärwicklung des Transformators T2,
von der einer der beiden Ausgangsanschlüsse an Masse liegt, ist
mit dem Widerstand R2 verbunden.
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In der Anordnung nach Fig. 3 weisen die Widerstände R1 und R2
mehrere Funktionen auf:
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- Regelung des Pegels des zum an den Kanal angeschlossenen
Empfänger gelieferten Signals, so daß dieser Empfänger auf dem
optimalen Pegel des empfangenen Signals arbeitet, d.h. auf
einem Pegel, der nicht mehr als den Empfang ermöglicht, so daß
nicht zuviel Rauschen vorliegt;
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- Funktion des Schutzes des Kanals gegen die durch die
Entladungsstrecke nicht gestoppte parasitäre Restspannung, z.B.
bei einem Angriff durch einen Blitz.
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Es ist zu bemerken, daß die Widerstände R1 und R2 in
Wirklichkeit durch zwei Einheiten von Widerständen gebildet sind, deren
Gesamtwerte wie oben angegeben sind, und daß es bewegliche
Kurzschlüsse ermöglichen, alle oder einen Teil der Widerstände
R1 und R2 so kurzzuschließen, daß der Empfang in Abhängigkeit
von dem Ort optimiert ist, an dein sich die Antenne befindet.
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Die durch den Kondensator C1 und die Induktivität L1 gebildete
Filterzelle ist dazu bestimmt, den hohen Kanal vom tiefen Kanal
zu isolieren, wobei eine Hochpaßfilterung gewährleistet ist,
während die Filterzelle L2-C2 den tiefen Kanal vom hohen Kanal
isoliert, indem sie einen iin wesentlichen auf 20 kHz
zentrierten Sperrkreis bildet. Es ist zu bemerken, daß bei der
Schaltung von Fig. 3 die für L1, L2 und C2 angegebenen Werte jeweils
die parasitären Induktivitäten an den Anschlüssen der
Primärwicklung der Transforinatoren T1 und T2 sowie die parasitäre
Kapazität an den Anschlüssen der Primärwicklung des
Transformators T2 berücksichtigen.
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Die eben beschriebene Antenne weist ein
Allrichtungsstrahlungsdiagramm im Azimut für eine vertikale Polarisation des
elektrischen Feldes und ein Diagramm mit einer einzigen Keule mit
einer
null auf der vertikalen Achse für eine vertikale
Polarisation des elektrischen Feldes auf. Was die wirksame Höhe der
Antenne angeht, d.h. das Verhältnis V/E zwischen den an den
Anschlüssen der Empfänger gelieferten Spannungen und dem Betrag
des einfallenden Feldes in der Nachbarschaft der Antenne,
wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:
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- wirksame Höhe in dem Band von 20 bis 100 kHz:
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- 40 bis -35 dBm
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- wirksame Höhe in dem Band von 2 bis 30 MHz:
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- 13 bis -8 dBm
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Diese Werte, die mit den von der Antenne empfangenen
Rauschpegeln aus galaktischem, atmosphärischem, und industriellem
Ursprung kompatibel sind, stellen eine gute
Empfangsempfindlichkeit unter gleichzeitiger Minimierung des Einflusses Störsender
dar, die möglicherweise in der Nachbarschaft der Antenne
existieren.
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Darüberhinaus ist festzustellen, daß die eben beschriebene
Antenne mit einem Empfänger verwendet werden kann, der im unteren
Bereich des Meterbandes arbeitet, so der hohe Kanal für eine
solche Verwendung angepaßt wird; es ist auch zu bemerken, daß
diese Antenne einen guten Schutz gegen einen
elektromagnetischen Angriff bietet und aufgrund des passiven Charakters ihrer
Bauteile, solange die Entladungsstrecke Y nicht ausgelöst ist,
eine hohe Funktionslinearität aufweist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene
Beispiel begrenzt; so kann die Zahl der Kanäle auf 1 reduziert
oder höher als 2 sein; jeder Kanal ist in Abhängigkeit von dem
Empfänger, für den er bestimmt ist, sowie von der Isolierung
bestimmt, die bezüglich der anderen Kanäle realisiert werden
soll. Ebenso kann die Antenne keine Entladungsstrecke aufweisen
oder in ihren Kanälen Filterzellen und
Impedanzanpassungsschaltungen umfassen, die sich von den mit Hilfe von Fig. 3
beschriebenen unterscheiden.