Funkantenne mit zwei oder mehr als zwei übereinander angeordneten, durch Stäbe gebildeten Strahlerabschnitten

Abstract

 Es wird eine Funkantenne mit zwei oder mehr als zwei übereinander angeordneten, durch Stäbe (1, 2, 3) ge­bildeten Strahlerabschnitten beschrieben, die durch Sperrkreise voneinander getrennt und in ihrer Länge so aufeinander abgestimmt sind, dass sie bei der vor­gesehenen Betriebsfrequenz untereinander in Resonanz sind, wobei der Speisepunkt der Antenne am Fuß (4) des untersten Strahlerabschnittes (1) liegt. Der obere von je zwei benachbarten Stäben (1, 2, 3) taucht als koaxial ange­ordneter Innenleiter wenigstens auf eine Länge einer viertel Wellenlänge (bezogen auf die vorgesehene Betriebsfrequenz) in den als Hohlstab ausgebildeten unteren Stab (1, 2) ein und ist von diesem durch ein Dielektrikum getrennt und in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge vom oberen Rand des unteren Stabes (1, 2) mit diesem elektrisch kurzgeschlossen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einer gestockten Funk­antenne mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­gebenen Merkmalen.

[0002] Es sind gestockte Funkantennen bekannt, bei denen die einzelnen Strahlerabschnitte durch Induktivitäten oder spulenförmig bifilar aufgewickelte, symmetrische Leitungen voneinander getrennt und gleichzeitig für die vorgesehene Betriebsfrequenz der Antenne parallel zueinander geschaltet sind. Die induktiven Sperrkreise dieser bekannten Antennen haben einen relativ hohen Wellenwiderstand und trennen die einzelnen Strahlerabschnitte deshalb breitbandig voneinander, so dass diese bekannten gestockten Funkantennen entspre­chend breitbandig arbeiten.

[0003] Die Sperrkreise liegen bei den bekannten gestockten Funk­antennen jeweils zwischen den stabförmigen Strahlerab­schnitten und verlängern dadurch die Antenne. Ausserdem befinden sich bei den bekannten gestockten Funkantennen die Sperrkreise jeweils in einem Gehäuse, welches dicker ist als die Antennenstäbe. Dadurch ist eine solche An­tennen, die beispielsweise für die Übermittlung von Telefongesprächen im UHF-Bereich Verwendung finden kann (sogenanntes C-Autotelefon-Netz) schon äusserlich als Funkantenne erkennbar. Dies wird von den Benutzern häufig als Nachteil empfunden, z.B. von der Polizei, die es stört, daß zivil aufgemachte Einsatzfahrzeuge leichter als Polizeifahrzeuge erkannt werden können, oder Geschäftsleute, die aus Gründen des Understatements nach aussen nicht kenntlich machen wollen, daß in ihrem Fahrzeug ein Autotelefon eingebaut ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Bauweise liegt darin, daß die Antenne durch das Gehäuse mit den darin befindlichen Sperrkreiselementen im Fahrtwind,vor allem bei höheren Geschwindigkeiten, relativ stark abgebogen wird und in Schwingungen geraten kann.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die vorgesehene Betriebsfrequenz möglichst kurze, stabile, schmalbandige Funkantenne zu schaffen, bei welcher es nach Art ihrer Ausbildung nicht auffällt, daß es sich um eine gestockte Funkantenne handelt.

[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antenne mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiter­bildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­sprüche.

[0006] Bei der erfindungsgemäßen Antenne ist der für die Ver­wendung als gestockte Antenne erforderliche Sperrkreis dadurch gebildet, daß der obere von je zwei benachbarten Stäben als koaxial angeordneter Innenleiter in den ent­sprechend dickeren, unteren, als Hohlstab ausgebildeten Antennenstab eintaucht, und zwar wenigstens auf eine Länge einer viertel Wellenlänge, welche zu der vorge­sehenen Betriebsfrequenz gehört, so daß im Abstand von einer viertel Wellenlänge vom oberen Rand des unteren Stabes zwischen den beiden Stäben eine Kurzschlußver­ bindung hergestellt werden kann. Oberhalb dieser Kurz­schlußverbindung sind die beiden Stäbe elektrisch von­einander isoliert, wobei das sich zwischen ihnen befindende Dielektrikum durch Luft oder durch einen elektrisch isolierenden Festkörper, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen, gebildet sein kann. Beispielsweise kann das Dielektrikum wenigstens teilweise durch eine elektrisch isolierende Hülse ge­bildet sein, welche den oberen Stab auf einem Teil seiner Länge umgibt und oberhalb der Kurzschlußver­bindung für die nötige Distanz zwischen dem oberen und dem unteren Stab sorgt. Diese Hülse könnte sich auf dem oberen Rand des unteren Stabes abstützen und diesen dadurch zugleich nach oben hin dicht verschliessen. Besonders vorteilhaft ist es, die elektrisch isolierende Hülse in den Zwischenraum zwischen dem oberen und dem unteren Stab eintauchen zu lassen,vorzugsweise so, daß die Eintauchtiefe der Hülse veränderlich ist, was zum Beispiel dadurch bewirkt werden kann, daß man ent­weder den oberen Stab mit einem Aussengewinde und die Hülse mit einem Innengewinde oder die Hülse mit einem Aussengewinde und den unteren Stab mit einem Innenge­winde versieht, so daß man durch Drehen der Hülse die Eintauchtiefe verändern kann. Der Vorteil dieser Maß­nahme liegt darin, daß man dadurch den Wellenwiderstand Z des zwischen dem oberen und dem unteren Stab gebildeten, überwiegend kapazitiv wirksamen Sperrtopfes ändern kann, weil der Wellenwiderstand dieses Sperrtopfes nach der Formel
(1)      Z =

· log


von der Dielektrizitätskonstanten ε des Dielektri­ kums zwischen dem oberen Stab und dem unteren Stab im Überlappungsbereich abhängt. Dabei bezeichnet in der Formel (1) D den Innendurchmesser des durch und durch als metallisch angenommenen unteren Stabes und d den Aussendurchmesser des als durch und durch metallisch angenommen oberen Stabes.

[0007] Die Sperrtöpfe der erfindungsgemäßen Antenne haben einen vergleichsweise geringen Wellenwiderstand Z, trennen die einzelenen Stäbe der Antenne im Bereich der vorgesehenen Betriebsfrequenz deshalb nur schmalbandig voneinander und führen somit zu einer schmalbandig sendenden oder empfangenden Antenne, deren einzelne Abschnitte infolge der Anordnung der Sperrtöpfe zwischen ihnen in Kombination mit der Kurzschlußverbindung zwischen zwei benachbarten Ab­schnitten parellel senden und empfangen.

[0008] Der Sperrtopf der erfindungsgemäßen Antenne ist ein resonanzfähiges Gebilde, welches an seiner oberen Aus­trittsöffnung bei der mit der vorgesehenen Betriebs­frequenz der Antenne übereinstimmenden Resonanzfrequenz einen gegen unendlich tendierenden Widerstand einnimmt, wenn - wie beansprucht - der jeweils obere Stab in den unteren Stab eintaucht und in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge vom oberen Rand des unteren Stabes mit diesem elektrisch kurzgeschlossen ist. Der auf den Wellenwiderstand des Sperrtopfes normierte Widerstand an dieser Stelle bestimmt sich nach der Formel
(2)      

= tan (2π ·

)
in welcher 1 den Abstand der Kurzschlußverbindung vom oberen Rand des jeweils unteren Stabes und λ die Wellenlänge bezeichnet.

[0009] Bei gleichbleibender Länge des Sperrtopfes kann zu Zwecken der Feinabstimmung der Antenne die Resonanz­frequenz des Sperrtopfes durch Ändern der Eintauch­tiefe der bereits erwähnten dielektrischen Hülse verändert werden, wobei sich die Resonanzfrequenz mit zunehmender Eintauchtiefe der dielektrischen Hülse zu niedrigeren Frequenzen, bei einer Verringerung der Eintauchtiefe hingegen sich zu höheren Frequenzen verschiebt. Eine andere Möglichkeit, die Resonanzfre­quenz zu verändern, besteht darin, den jeweils oberen Stab im jeweils unteren Stab längsverschieblich zu lagern, wobei man den Verschiebebereich durch Anschläge im jeweils unteren Stab, beispielsweise durch Sicken im unteren Stab, begrenzen kann. Man kann sogar die erfindungsgemäße Antenne ähnlich wie eine herkömmliche teleskopierbare Stabantenne als Teleskopantenne ausbil­den, wobei man dann jedoch die Antenne nach dem Aus­ziehen des Teleskops zunächst abstimmen muß, sofern man beim Ausziehen der Antenne nicht gegen genau definierte Endanschläge in den jeweils unteren Hohlstäben anschlägt.

[0010] Eine andere zweckmäßige Ausführungsform der erfindungs­mäßen Antenne zeichnet sich dadurch aus, daß man diese nicht teleskopisch ausbildet, sondern die oberen Stäbe jeweils bis zum Fuß des unteren Stabes sich erstrecken läßt, wodurch die Antenne eine hohe mechanische Stabi­lität erhält. Den elektrische Kurzschluß zwischen dem jeweils oberen und dem jeweils unteren Stab stellt man aber auch in dieser Ausführungsform in einem Ab­stand von einer viertel Wellenlänge vom oberen Rand des jeweils unteren Hohlstabes her.

[0011] Ob die erfindungsgemäße Antenne nun als Teleskopantenne ausgebildet ist oder nicht, von aussen sieht sie auf den ersten Blick wie eine übliche Teleskopantenne aus und ist nicht ohne weiteres als gestockte Funkan­tenne zu erkennen. Durch das Fehlen der sonst üblichen induktiven Sperrkreise zwischen den einzeln Antennen­abschnitten ist die erfindungsgemäße Antenne nicht nur mechanisch stabiler, sondern auch kürzer geworden.

[0012] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antenne liegt darin, daß sie praktisch unverändert auch als Mehrbe­reichsantenne verwendbar ist. Wird die Antenne bei­spielsweise mit einer Frequenz betrieben, die doppelt so hoch liegt wie die für den Betrieb als gestockte Antenne vorgesehene Betriebsfrequenz, dann bilden die Sperrtöpfe für diese doppelt so hohe Frequenzy hoch­frequenzmäßig einen Kurzschluß und die Stäbe der Antenne bilden gemeinsam einen einheitlichen Strahler. Wenn man andererseits die Betriebsfrequenz der Antenne zu tieferen Frequenzen hin verschiebt, als sie für den Betrieb als gestockte Antenne vorgesehen sind, dann verlieren die Sperrtöpfe im Einklang mit ihrem schmalbandingen Fre­quenzgang ihre Sperrwirkung und die Antenne verhält sich wie eine einheitliche, lange Teleskopantenne, deren Länge vom Fuß des untersten Stabes bis zur Spitze des obersten Stabes misst und einen dieser größeren Länge entsprechenden Frequenzgang aufweist. So ist es zum Beispiel möglich, eine erfindungsgemäße Antenne einerseits als Funkantenne für ein C-Autotelefon (Betriebsfrequenz typisch zwischen 450 und 500 MHz) sowie als Empfangsantenne für ein Autoradio zu ver­wenden.

[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der beige­fügten Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine erste Antenne im Längsschnitt,

Fig. 2 zeigt eine zweite Antenne im Längsschnitt,

Fig. 3 zeigt eine dritte Antenne im Längsschnitt, und

Fig. 4 zeigt im Detail verschiedene Möglichkeiten, die Stäbe der Antenne miteinander zu verbinden.

[0014] In den Ausführungsbeispielen sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.

[0015] Die in Fig. 1 dargestellte Antenne enthält drei Stäbe 1, 2 und 3, von denen der untere Stab ein Metallrohr mit dem Innendurchmesser D1, der mittlere Stab 2 ein Metall­rohr mit dem Aussendurchmesser D2 und dem Innendurch­messer D3 und der obere Stab 3 ein massiver, zylindrischer Metallstab mit dem Aussendurchmesser D4 ist. Der untere Stab 1 ist an seinem unteren Ende durch eine metallische Scheibe 4 abgeschlossen, mit welcher der Innenleiter 5 einer koaxialen Zuleitung verbunden ist, deren Aussen­leiter 6 an einer leitenden Fläche, beispeilsweise einem Karosserieblech 7 eines Fahrzeuges, endet.

[0016] Das untere Ende des unteren Stabe 1 ist in ein elektrisch isolierendes Fußteil 8 eingebettet, durch welches der Innenleiter 5 der koaxialen Zuleitung hindurchführt. Mit diesem Fußteil 8 ist die Antenne in eine Bohrung des Karosserieblechs 7 eingefügt.

[0017] An das untere Ende des mittleren Stabes 2 ist eine Scheibe 9 angelötet oder angeschweisst, deren Durch­messer mit dem Innendurchmesser D1 des unteren Stabes übereinstimmt. Mit dieser Scheibe 9 ist der mittlere Stab von oben her in den unteren Stab bis zu einer Sicke 10 eingeschoben. Durch die Scheibe 9 ist zwischen dem unteren Stab 1 und dem mittleren Stab 2 eine Kurzschlußverbindung hergestellt. Das obere Ende des unteren Stabes 1 ist durch einen Deckel 11 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen abgedeckt, durch welchen der mittlere Stab 2 in koaxialer Anordnung hindurchge­führt ist. Auf diese Weise ist der mittlere Stab 2 im unteren Stab 1 durch die Scheibe 9 und den Deckel 11 gestützt und koaxial geführt. Als Dielektrikum be­findet sich im Ringspalt zwischen dem mittleren Stab 2 und dem unteren Stab 1 Luft. In entsprechender Weise ist der obere Stab 3 an seinem unteren Ende mit einer Scheibe 12 versehen und bis zum Anschlag an eine Sicke 13 in den mittleren Stab eingeschoben. Auch der mittlere Stab ist durch eine Kappe 14 aus einem elektrisch iso­ lierenden Kunststoff abgedeckt, durch welchen der obere Stab 3 in koaxialer Anordnung dicht hindurch­geführt ist.

[0018] Die Länge des unteren Stabes beträgt zwischen 3/4 und 5/8 der Wellenlänge λ, welche zu der vorgesehenen Betriebsfrequenz der Antenne gehört. Dabei beträgt die elektrische Länge des unteren Stabes 3/4 Wellenlängen, die jedoch infolge der bekannten die­lektrischen Verkürzung einer körperlichen Länge zwischen 3/4 und 5/8 Wellenlängen entspricht.Der mittlere Stab ist auf eine Länge von einer viertel Wellenlänge in den unteren Stab eingesteckt und überragt diesen mit einem Stück, welches eine halbe Wellenlänge lang ist. Der obere Stab 3 steckt ebenfalls auf der Länge einer viertel Wellenlänge im mittleren Stab 2 und überragt diesen auf einer Länge, die der halben Wellenlänge entspricht. Auf diese Weise erreicht man bei der Speisung der Antenne mit einem Signal, welches diese Wellenlänge hat, daß sich am Fußpunkt der Antenne ein Spannungungsknoten ausbildet, wohingegen an den oberen Enden des ersten und des zweiten Stabes jeweils zwei gegenphasige Spannungsbäuche und am oberen Ende des oberen Stabes 3 ebenfalls ein Spannungsbauch auftreten. Die Überlappungsbereiche des unteren Stabes 1 mit dem mittleren Stab 2 und des mittleren Stabes 2 mit dem oberen Stabe 3 bilden Sperrtöpfe, die bei Betrieb mit der Resonanzfrequenz am oberen Enden einen gegen un­endlich tendierenden Widerstand aufweisen und dadurch die drei übereinander angeordneten Abschnitte der Antenne hochfrequenzmäßig voneinander trennen; die drei Stäbe 1, 2 und 3 können jedoch, da sie durch die Scheiben 9 und 12 miteinander kurzgeschlossen sind, parallel abstrahlen bzw. empfangen. Durch diesen ge­stockten Aufbau erhält man eine Antenne mit hohem Antennengewinn, die obendrein durch die Art der Aus­bildung der Sperrtöpfe schmalbandig, mechnisch stabil und nicht ohne weiteres als gestockte Funkantenne erkennbar ist.

[0019] Das Durchmesserverhältnis wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß D₁ : D₂ = D₃ : D₄ = 2:1

[0020] Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unter­scheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten darin, daß anstelle der Kappen 11 und 14 Hülsen 21 bzw. 24 aus einem dielektrischen Werkstoff, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen,vorgesehen sind, die in den unteren Stab 1 bzw. in den mittleren Stab 2 eintauchen und darin verschieblich angeordnet sind, wodurch eine Feinab­stimmung der Antenne möglich ist.

[0021] Das Beispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich vom ersten Beispiel darin, daß der mittlere Stab 2 und der obere Stab 3 beide in koaxialer Anordnung bis zur Fußplatte 4 des unteren Stabes 1 verlängert sind, wodurch die Antenne eine hohe mechanische Stabilität erhält und ein Verschieben der Stäbe gegeneinander durch Druck von oben nach unten ausgeschlossen ist. Bei dieser Aus­führungsform sind anstelle der Scheiben 9 und 12 Ringe 39 und 42 vorgesehen, welche im Abstand einer viertel Wellenlänge vom oberen Rand dew unteren Stabes 1 bzw. des mittleren Stabes 2 befestigt sind und den elek­trischen Kurzschluß zwischen dem unteren Stab 1 und dem mittleren Stab 2 bzw. dem mittleren Stab 2 und dem oberen Stab 3 herstellen.

[0022] Der obere Abschluß des unteren Stabes 1 und des mitt­leren Stabes 2 ist in diesem Fall durch zwei Stopfen 31 bzw. 34 gebildet, welche aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff bestehen und bis zum Anschlag an ihrem überkragenden Kopf in den unteren Stab 1 bzw. mittleren Stab 2 eingesteckt sind.

[0023] In der Fig. 4 sind drei Möglichkeiten gezeigt, wie der jeweils obere von zwei Stäben der Antenne mit der an seinem unteren Ende befestigten Scheibe 9 in dem unteren der beiden Stäbe angeordnet werden kann. Im Beispiel gemäß Fig. 4a ist im unteren Stab unterhalb der Scheibe 9 des oberen Stabes eine Sicke 10 vorgesehen, welche ver­hindert, dass der obere Stab über die Sicke 10 hinaus in den unteren Stab eingeschoben wird. Eine solche Antenne ist auch in Fig.1 dargestellt, sie kann nicht zusammenge­schoben werden.

[0024] In Fig. 4b ist die Sicke 10 stattdessen oberhalb der Scheibe 9 des oberen Antennenstabes angeordnet. In diesem Fall kann der obere Antennenstab mit der Scheibe 9 nicht über die Sicke 10 hinweggezogen werden; stattdessen ist eine so ausgebildete Antenne wie eine Teleskopantenne zusammenschiebbar.

[0025] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4c ist die Scheibe 9 am unteren Ende des oberen Antennenstabes im Vergleich zu den vorhergehenden Beispielen dicker ausgebildet und die Sicke 10 in Höhe der Mitte der Scheibe 9 angeordnet, so dass die Stäbe der Antenne weder ausgezogen noch zusammengeschoben werden können. Das hat den Vorteil, dass eine zum Zwecke der Frequenzanpassung gewählte Länge der Antenne im Ge­brauch unverändert bleibt.

Ansprüche

1. Funkantenne mit zwei oder mehr als zwei über­einander angeordneten, durch Stäbe gebildeten Strahlerabschnitten, die durch Sperrkreise voneinander getrennt und in ihrer Länge so aufeinander abgestimmt sind, dass sie bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz untereinander in Resonanz sind, wobei der Speisepunkt der Antenne am Fuß des untersten Strahlerabschnittes liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass der obere von je zwei be­nachbarten Stäben (1, 2, 3) als koaxial angeordneter Innenleiter wenigstens auf eine Länge einer viertel Wellenlänge (bezogen auf die vorgesehene Betriebsfrequenz) in den als Hohlstab ausgebildeten unteren Stab (1,2) eintaucht und von diesem durch ein Dielektrikum (11, 14; 21, 24; 31, 34) getrennt ist und in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge vom oberen Rand des unteren Stabes (1,2) mit diesem elektrisch kurzgeschlossen ist.

2. Funkantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum wenigstens teilweise durch eine elektrisch isolierende Hülse (11, 14; 21, 24; 31,34) auf dem oberen Stab (2, 3) gebildet ist.

3. Funkantenne nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hülse (11, 14; 31, 34) auf dem oberen Rand des unteren Stabes (1,2) abstützt.

4. Funkantenne nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (21, 24) in den unteren Stab (1,2) eintaucht.

5. Funkantenne nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eintauchtiefe der Hülse (21,24) veränderlich ist.

6. Funkantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußverbindung zwischen dem unteren und dem oberen Stab (2, 3) als Stütze (9, 12; 39, 42) für den oberen Stab (2,3) ausge­bildet ist.

7. Funkantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die oberen Stäbe (2,3) bis zum Fuß (4) des untersten Stabes (1) erstrecken.

8. Funkantenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (1, 2, 3) zur Bildung einer Teleskopantenne ineinander verschieb­bar sind.

9. Die kombinierte Verwendung einer Antenne mit den in einem der vorstehenden Ansprüche angegebenen Merkmalen als gestockte Antenne für den UHF-Bereich sowie als einheitliche Antenne für den UKW-Bereich.

Zeichnung