Sende- und Empfangsantenne für elektromagnetische Strahlung horizontaler Polarisation

Abstract

 Am vertikalen, zylindrischen, elektrisch leitenden Antennenkörper (16) einer Sende- und Empfangsantenne (10) für elektromagnetische Strahlung horizontaler Polarisation, insbesondere im UKW-Bereich, sind längliche, elektrisch leitenden Bügelelemente (26) vertikal angeordnet, um eine einfach aufgebaute, stabile Sende- und Empfangsantenne mit guter Sende- bzw. Empfangscharakteristik zu erhalten. Die Bügelelemente (26) aus jeweils einem mit Abstand zum Antennenkörper (16) vertikal angeordneten Bügelmittelteil (28) und auf den Antennenkörper (16) zulaufenden Bügelendteilen (30) sind im Bereich ihrer Längenmitte mit einer Speisestelle (34) zur Erregung gegen den Antennenkörper (16) versehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende- und Empfangsantenne für elektromagnetische Strahlung horizontaler Polarisation einer Arbeitswellenlänge insbesondere im UKW-Bereich, mit einem vertikalen, zylindrischen Antennenkörper mit elektrisch leitender Mantelfläche. Eine bekannte Sende- und Empfangsantenne dieser Art ist die Rohrschlitzantenne. Diese besteht aus einem vertikalen Rohr mit mindestens einem in seiner Mitte gespeisten, ebenfalls vertikalen Schlitz. Um eine gute Richtcharakteristik zu erhalten wird die Rohrschlitzantenne mit mehreren in gleicher Höhe oder übereinander angeordneten Schlitzen dieser Art versehen. Da die Schlitze mit etwa der gleichen Intensität in das Innere des Antennenrohrs strahlen wie nach außen, müssen die einzelnen Schlitze im Rohrinneren sorgfältig gegeneinander abgeschirmt werden, um störende Einstrahlung von einem Schlitz auf einen anderen durch das Rohrinnere auszuschließen. Weiterhin nachteilig ist, daß die mechanische Festigkeit der Antenne durch die Schlitze herabgesetzt ist.

[0002] Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber eine einfach aufgebaute, stabile Sende- und Empfangsantenne mit guter Sende- bzw. Empfangscharakteristik bereitzustellen.

[0003] Die Sende- und Empfangsantenne, mit der diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst wird, ist gekennzeichnet durch wenigstens ein elektrisch leitendes, an der Mantelfläche angebrachtes Bügelelement mit einem länglichen, mit Abstand zur Mantelfläche vertikal angeordneten Bügelmittelteil und mit am Bügelmittelteil beidendig vorgesehenen, radial auf die Mantelfläche zulaufenden und in elektrischem Kontakt mit der Mantelfläche stehenden Bügelendteilen, wobei im Bereich der Längenmitte der Bügelmittelteile je eine Speisestelle zur Erregung der Bügelelemente gegen die Mantelfläche vorgesehen ist.

[0004] Da die Mantelfläche nicht geschlitzt ist, wird eine Einstrahlung in das Innere des Antennenkörpers von vornherein verhindert. Damit entfallen aufwendige Entkopplungsmaßnahmen. Der ungeschlitzte Antennenkörper ist mechanisch sehr stabil und hält ohne besondere Maßnahmen hohen Windlasten stand. Die Anordnung von mehreren Bügelelementen in derselben Ebene wird bevorzugt entsprechend den Anforderungen an das gewünschte Azimutaldiagramm gewählt. Auch eine unsymmetrische Verteilung der Bügelelemente über die Mantelfläche ist vorteilhaft möglich. Eine entsprechende Verteilung der Schlitze einer Schlitzantenne ist wegen der damit verbundenen statischen Probleme kaum realisierbar.

[0005] Die Sende- und Empfangseigenschaften eines Bügelelements sind besonders vorteilhaft, wenn die Sende- und Empfangsantenne die in den Unteransprüchen 2 bis 6 aufgeführten erfindungsgemäßen Merkmale aufweist. Die im Anspruch 6 aufgeführte Näherungsformel gilt für eine Diagrammunrundheit von höchsten + 2 dB.

[0006] Besonders einfach aufgebaute, stabile Bügelelemente erhält man dadurch, daß man die Bügelmittelteile einstükkig mit den Bügelendteilen ausbildet.

[0007] Der beabsichtigten Verwendung entsprechend kann es vorteilhaft sein, zumindest die Bügelmittelteile hohl oder auch massiv auszubilden.

[0008] Einen besonders stabilen Antennenaufbau erhält man, wenn man die zur Befestigung am Antennenkörper ausgebildeten Bügelendteile in Umfangsrichtung des Antennenkörpers breiter ausbildet als die Bügelmittelteile. Die auf ein Bügelelement bei hohem Winddruck ausgeübten Kräfte, vor allem die in Umfangsrichtung wirkenden Kräfte, können dann ohne weiteres auf den Antennenkörper abgeleitet werden.

[0009] In den Unteransprüchen 8 bis 1o ist angegeben, wie man die Bügelelemente zueinander anordnet und speist, um eine besonders günstige Richtcharakteristik der Antenne zu erhalten.

[0010] Die Erfindung wird im folgenden an zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sende- und Empfangsantenne;

Fig. 2 einen Detailschnitt der Anordnung in Fig. 1;

Fig. 3 eine seitliche Teilansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sende- und Empfangsantenne;

Fig. 4 einen Horizontalschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 ein Antennenanschlußschema für die Sende- und Empfangsantennen der Fig. 1 bis 4.

[0011] Die erfindungsgemäße Sende- und Empfangsantenne zeichnet sich durch besonders einfachen Aufbau, große Robustheit und vorteilhafte Sende- und Empfangseigenschaften aus, die ähnlich der einer Rohrschlitzantenne sind.

[0012] Eine erste, mit 1o bezeichnete Ausführungsform der Antenne ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Antenne 1o besteht aus einem am Untergrund 12 befestigten, nach oben leicht spitzkegelig zulaufenden Antennenfuß 14, auf den ein vertikaler, zylindrischer Antennenkörper 16 mit Deckel 18 aufgesetzt ist. Der Antennenkörper 16 besteht aus drei übereinander angeordneten Rohrteilen 2₀, von denen eines in Fig. 2 im Detail gezeigt ist.

[0013] Das metallische Rohrteil 2o ist beidendig mit angeschweißtem Flansch 22 zur Befestigung des nächsten Rohrteils 2o oder des Deckels 18 versehen. Versteifungsrippen 24 zwischen Flansch 22 und Rohrteil 2o sorgen für gute Stabilität. Auch der haubenförmige Deckel 18 ist mit Versteifungsrippen 26 ausgebildet.

[0014] An jedem Rohrteil 2o sind vier Bügelelemente 26 in gleicher Höhe angebracht. Jedes Bügelelement 26 besteht aus einem länglichen, geraden Bügelmittelteil 28 und in gleicher Richtung rechtwinklig vom Bügelmittelteil 28 abstehenden Bügelendteilen 3₀. Das Bügelmittelteil 28 ist parallel zur Rohrteilachse, d. h. vertikal angeordnet; die Bügelendteile 3o laufen radial auf die Mantelfläche 32 des Rohrteils 2o zu und berühren diese unter Bildung eines elektrischen Kontakts. Zur Erregung des elektrisch leitenden Bügelelements 26 gegenüber der ebenfalls elektrisch leitenden Mantelfläche 32 ist in der Längenmitte des Bügelmittelteils 28 eine Speisestelle 34 vorgesehen, die an eine symbolisch dargestellte zweipolige Speiseleitung 36 angeschlossen ist. Ein Pol der Speiseleitung 36 ist über eine Leitung 38 direkt mit dem Rohrteil 2o verbunden; der andere Pol ist über eine Leitung 4o mit einer das Rohrteil 2o radial durchsetzenden Durchführung 42 verbunden, die zum Bügelmittelteil 28 führt und dieses an die Speiseleitung 36 anschließt. Eine Isolierhülse 44 isoliert die Durchführung 42 gegen das Rohrteil 2₀. Die Darstellung des Anschlusses der Speiseleitung 36 in Fig. 2 ist rein schematisch; der Anschluß einer solchen Speiseleitung an Antennenelemente ist jedoch bekannt.

[0015] Wird das Bügelelement 26 durch Einspeisung von Antennenspannung gegen die Mantelfläche 32 erregt, so entsteht ein elektrisches Wechselfeld, dessen elektrischer Polarisationsvektor in der vom Bügelelement 26 umschlossenen Schlitzfkäche 46 abwechselnd im wesentlichen radial nach außen (Pfeil A in Fig. 2) und radial nach innen (Pfeil B) gerichtet ist. Das abgestrahlte elektromagnetische Feld ist daher in zur Antennenkörperachse radiale: Richtung, d. h. horizontal polarisiert. Da bei einer Rohrschlitzantenne die elektrischen Feldlinien ebenfalls quer zum Schlitz verlaufen, sind die Sende- und Empfangscharakteristiken beider Antennen ähnlich.

[0016] Die Bügelelemente 26 der in den Fig. 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform 1o der Antenne werden von Metallrohren mit rundem oder rechteckigem Querschnitt gebildet, deren Enden entsprechend abgebogen sind. Es können jedoch auch massive Bügel eingesetzt werden. Ebenso können Bügelelemente aus nichtleitendem Material eingesetzt werden, deren Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist.

[0017] Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte zweite Antennenausfülirungsform 11o unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform 1₀ lediglich in der Gestaltung der Bügelelemente. Bauteile der zweiten Ausführungsform 11₀, die denen der ersten Ausführungsform 1o entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern, jeweils vermehrt um die Zahl 1₀₀, versehen. Die Bügelendteile 13o und das Bügelmittelteil 128 sind hier jeweils eigene Teilstücke, die entweder bei der Befestigung des Bügelelements 126 am Rohrteil 12o oder bei einer Vormontage des Bügelelements 126 zusammengefügt werden. Dies bringt den Vorteil, daß man die Bügelendteile 13o derart ausformen kann, daß sie eine stabile Befestigung des Bügelelements 126 am Rohrteil 12o gewährleisten, bei geringen Gesamtherstellungskosten für die Bügelelemente 126. Fig. 4 ist zu entnehmen, daß die annähernd trapezförmigen Bügelendteile 13o mit ihrer großen Basis 129 am Rohrteil 12o anliegen. Die Basis 129 ist breiter als das Bügelmittelteil 128. Die Bügelmittelteile 128 können ohne besondere Schwierigkeiten ausreichend exakt gerade hergestellt werden.

[0018] Um gute Rundstrahlcharakteristik und hohe Abstrahlleistung zu erzielen, werden zwölf Bügelelemente 26 bzw. 126 auf den Antennenkörper 16 bzw. 116, wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt, verteilt. Jeweils vier der Bügelelemente 26, 126 sind in gleicher Höhe angebracht und werden als Gruppe bezeichnet. Die Antennengruppen in Fig. 1 sind von unten nach oben mit den Bezugsziffern 48, 5o und 52 versehen. Die Bügelelemente 26 innerhalb einer Gruppe sind gleichmäßig auf den Umfang des Rohrteils 2o verteilt angeordnet. Ein Bügelelement 26 einer Gruppe fluchtet mit jeweils einem Bügelelement 26 der anderen beiden Gruppen.

[0019] Die Sende- und Empfangsantennen 1₀, 11o sind für den UKW-Bereich von 87,5 bis 108 Megahertz vorgesehen. Die im folgenden zu behandelnden, in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Abmessungen der Antenne 1o sind an diesen Frequenzbereich angepaßt. Die Abmessungen werden größtenteils auf eine Arbeitswellenlänge λ von ca. 3oo cm bezogen.

[0020] Die Höhe a des Antennenfußes 14 beträgt etwa 2o m; die Länge b des Antennenkörpers 16 beträgt etwa 1o m. Der lichte, vertikale Abstand c der Bügelelemente 26 aufeinanderfolgender Gruppen ist mit 33o cm etwa das 1,1- fache der Wellenlänge λ. Der Außendurchmesser d eines Rohrteils 2o ist mit 15o cm etwa das o,5-fache der Wellenlänge λ, bei einer Wandstärke e von etwa 15 mm. Die Schlitzfläche 46 ist durch die beiden folgenden Größen festgelegt: durch den lichten Abstand f der Bügelendteile 3o und durch den lichten Abstand g des Bügelmittelteils 28 von der Mantelfläche 32. Der Abstand g ist das o,o4-fache des Abstands f. Der Abstand f beträgt mit 28oo mm etwa das o,9-fache der Wellenlänge λ. Der Durchmesser h des Bügelmittelteils 28 entspricht dem o,8-fachen des Abstands g.

[0021] In Fig. 5 ist stark vereinfacht dargestellt, wie die zwölf Bügelelemente 26, 126 an einen Antennenhauptanschluß 6o angeschlossen sind. Der Antennenhauptanschluß 6₀ ist über eine Leitung 62 mit einem Hauptverteiler 64 verbunden, von dem aus drei Leitungen 66, 68 und 7o zu drei Gruppenverteilern 72, 74 und 76 führen. Der Gruppenverteiler 72 versorgt die vier Bügelelemente 26, 126 der untersten Gruppe 48, 148, der Gruppenverteiler 74 die der mittleren Gruppe 5₀, 15o und der Gruppenverteiler 76 die der oberen Gruppe 52, 152. Hierzu ist jedes Bügelelement 26, 126 mit jeweils einer Leitung 36 mit dem entsprechenden Gruppenverteiler verbunden. Zur Anpassung und Einstellung einer gewünschten Phasenverschiebung ist in jeder Leitung 36 eine Transformationseinrichtung 78 mit einstellbaren Impedanzen eingeschaltet. Es können auch abstimmbare Koaxialleitungen eingesetzt werden.

[0022] Durch Einstellung bestimmter Phasendifferenzen zwischen den Bügelelementen 26, 126 lassen sich unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken erzielen. Eine Antenne 1₀, 11₀ mit gleichmäßiger Rundumabstrahlung erhält man, wenn man die Bügelelemente 26, 126 einer Gruppe mit derartigen Phasendifferenzen speist, daß man eine Rotation des elektrischen Feldvektors des gesamten Strahlungsfeldes in der horizontalen Ebene erhält. Zweckmäßig ist es dabei, die miteinander fluchtenden Bügelelemente 26, 126 verschiedener Gruppen gleichphasig zu speisen.

Ansprüche

1. Sende- und Empfangsantenne für elektromagnetische Strahlung horizontaler Polarisation einer Arbeitswellenlänge insbesondere im UKW-Bereich, mit einem vertikalen, zylindrischen Antennenkörper mit elektrisch leitender Mantelfläche, gekennzeichnet durch wenigstens ein elektrisch leitendes, an der Mantelfläche (32) angebrachtes Bügelelement (26, 126) mit einem länglichen, mit Abstand zur Mantelfläche (32) vertikal angeordneten Bügelmittelteil (28, 128) und mit am Bügelmittelteil (28, 128) beidendig vorgesehenen, radial auf die Mantelfläche (32) zulaufenden und in elektrischem Kontakt mit der Mantelfläche (32) stehenden Bügelendteilen (3o, 130), wobei im Bereich der Längenmitte der Bügelmittelteile (28, 128) je eine Speisestelle (34) zur Erregung der Bügelelemente (26, 126) gegen die Mantelfläche (32) vorgesehen ist.

2. Sende-und Empfangsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der lichte Abstand (f) der Bügelendteile (3o, 13o) eines Bügelelements (26, 126) das o,1- bis 2-fache, besser das o,4- bis 1,5-fache, am besten etwa das 1-fache der Arbeitswellenlänge (λ) beträgt.

3. Sende-und Empfangsantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der lichte Abstand (g) der Bügelmittelteile (28, 128) von der Mantelfläche (32) das o,o1- bis o,25-fache, besser das o,o2- bis o,125-fache, am besten etwa das o,o4-fache der Arbeitswellenlänge (λ) beträgt.

4. Sende- und Empfangsantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (h) der Bügelmittelteile (28, 128) das 0,005- bis o,25-fache, besser das o,o1- bis o,1-fache, am besten etwa das o,o5-fache der Arbeitswellenlänge (λ) beträgt.

5. Sende- und Empfangsantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung eines Rundstrahldiagramms mindestens zwei Bügelelemente (26, 126) vorgesehen sind und daß diese Bügelelemente (26, 126) vorzugsweise um 90° azimutal zueinander versetzt auf der Mantelfläche (32) angeordnet sind.

6. Sende- und Empfangsantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung eines Rundstrahldiagramms gleichmäßig um den Mastumfang verteilt in Abhängigkeit vom Mastdurchmesser (d) eine Mindestzahl N von Bügelelementen (26, 126) vorgesehen ist, die durch die Formel

bestimmt ist, in der bedeutet

d: Mastdurchmesser in [m]

λ: Arbeitswellenlänge in [m]

int [A]: größte ganze Zahl, die kleiner oder gleich dem Ausdruck A ist.

7. Sende- und Empfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest die Bügelmittelteile (28, 128) massiv ausgebildet sind.

8. Sende- und Empfangsantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Gruppe (48, 5₀, 52; 148, 15o, 152) von jeweils in gleicher Höhe an der Mantelfläche (32) angebrachten Bügelelementen (26; 126).

9. Sende- und Empfangsantenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Gruppe (48, 5₀, 52; 148, 15o, 152) von vier auf den Antennenkörperumfang gleichmäßig verteilten Bügelelementen (26; 126) gebildet ist.

1₀. Sende- und Empfangsantenne nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bügelelemente (26, 126) einer Gruppe (48, 5₀, 52; 148, 15o, 152) derart mit unterschiedlichen Phasen gespeist sind, daß ein Rundstrahldiagramm entsteht.

Zeichnung