AT393762B - Als wendelantenne ausgebildete uhf-sendeund/oder empfangsantenne - Google Patents

Description

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Gegenstand der Erfindung ist eine als Wendelantenne ausgebildete UHF-Sende- und/oder Empfangsantenne für elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 400 MIL· und 1000 MHz, die innerhalb eines geschlossenen Gehäuses, das HF-Strahlung durchläßt, angeordnet ist, und der das UHF-Signal an einem Ende über eine Koaxial-Steckverbindung zugeführt wird, und deren Wendel mit zumindest eineinhalb, jedoch nicht mehr als 10 Windungen ausgeführt ist, wobei Durchmesser, Höhe und auch Gesamtlänge des ausgestreckten Drahtes sehr klein im Vergleich zur Wellenlänge sind, und wobei eine mechanisch zu betätigende Einrichtung die Höhe der Antennenwendel längs ihrer Achse kontinuierlich zu verändern gestattet.

Wendelantennen sind bekannt und werden beispielsweise im Buch "Antennas" von John D. Kraus, McGraw Hill Book Company, 1950, im Kapitel 7, S. 173 bis 216 ausführlich beschrieben. Im Falle, daß die geometrischen Maße der Antenne, vor allem aber deren Länge ihrer Windungen klein gegenüber der Wellenlänge bleiben, ist da Strahlungszustand da Wendelantenne im Fernfeld dem einer Dipolantenne gleich. Die Hauptstrahlrichtung der Antenne liegt im Femfeld in einer Ebene senkrecht zur Wendelachse, wodurch die Wendelantenne als Rund-strahler mit der Wendelachse als Symmetrieachse arbeitet. Das Fanfeld einer solchen Wendelantenne ist ein elliptisches Drehfeld, das unter da Bedingung 1 D = — a/2sX, π

wobei (D) der Wendeldurchmesser und (s) die Steigung bzw. die Ganghöhe der Woidel ist, in ein zirkular polari-siertes Feld übagehL

Gegenüber einer λ/4-Dipolantenne hat die Wendelantenne den Vorteil, daß sie zur Abstrahlung derselben Wellenlänge geometrisch kleina ausgebildet werden kann, ohne dabei in da Sendeleistung wesentlich gegenäba der Stabantenne zu verlieren. So läßt sich beispielsweise eine Wendelantenne in ihrer Bauhöhe gegenüba einer λ/4-Dipolantenne auf 20 % reduzieren, behält aber immer noch einen Wirkungsgrad von 80 % im Vagleich zur genannten Dipolantenne. Da die Wendelantenne naturgegeben einen hohot Eingangswiderstand aufweist, sind Anpassungsschaltungen, wie dies Dipolantennen im allgemeinen bei Verringerung der Antennenhöhe valangen, nicht erfordalich. Ein Nachteil der Wendelantenne besteht allodings darin, daß sie über eine nur sehr goinge Bandbreite verfugt, beispielsweise etwa + 1,5 % von der Sendefrequenz, was ihre Anwendung in einem beiten Frequenzband als Einzelantenne unmöglich macht Der Versuch, die Bandbreite der Sendefrequenz durch Abstimmen mit eina veränderbaren Serienkapazität zu erweitern, ist nicht sehr ofolgreich, weil der Durchstimmbereich meistens nicht größer als 5 % ist und weil die Serienkapazität außerdem noch zu einer Fehlanpassung führt Ein weiterer Nachteil kann in besonderen Anwendungsfällen noch dadurch hinzukommen, daß Streukapazitäten, wie beispielsweise eine Hand oder ein andoer Teil eines menschlichoi Körpers in Antennennähe einwiiken, und die vorerst erfolgte Abstimmung da Antenne wirkungslos machen, bzw. die Antenne verstimmen.

Es sei nur kurz darauf verwiesen, daß aus den US-PS 3 524 193; 3 510 872; 4 475 111; 3 699 585, 3 836 979 und 4 068 238 Wendelantennen, deren Länge mechanisch veränderbar ist, hinreichend bekannt sind, bei denen es sich jedoch ausschließlich um zusammenlegbare, -klappbare oder -schiebbare Antennen handelt, deren Verkleinerung oda Vergrößerung da Höhe lediglich da besseren Transportiabarkeit wegen erfolgt

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Wendelantenne mit möglichst einfachen Mitteln abstimmbar zu gestalten, damit in einem möglichst breiten Frequenzband ein Durehstimmen da Wendelantennen durchgeführt werden kann.

Eine abstimmbare Antenne ist aus da US-PS 4 214 246 bekannt bei der elektrische Schleifkontakte eine bis mehrere Windungen einer Antennenspule kurzschließen, um damit eine Abstimmung der Antenne vorzunehmen. Dabei dient entweder die Spule selbst als Antenne, oder als Abstimmelement für einen mit da Spule in Serie liegenden Antennenstab. Der Vorteil eina solchen Antennenanordnung liegt vor allem darin, daß eine ferngesteuerte kontinuialiche Abstimmung da Antenne voigenommen werden kann.

In da US-PS 4 169 267 ist eine Breitband-Wendelantenne beschrieben, die im Frequenzband von 773 MHz bis 1067 MHz optimalen Antennengewinn auf weisen soll. Diese Forderung wird dadurch erfüllt, daß die Wendel der Gesamtantenne aus einzelnen Abschnitten gebildet wird, wobei die einzelnen zylindrisch gewendelten Abschnitte unterschiedliche Länge und unterschiedliche Durchmessa aufweisen und konisch verlaufende Übergangsstücke, ebenfalls in Form eina Wendel, besitzen. Durch spezifische Ausgestaltung der einzelnen Abschnitte ist die optimale Anpassung an das jeweils geforderte Frequenzband, den Antennengewinn, die Richtcharakteristik u. dgl. möglich. Alladings wird eine derart ausgestaltete Antenne einen ganz bestimmten, nicht zu unterschätzenden Hatzbedarf erfordern.

Eine weitere Antenne ist noch aus der US-PS 4 087 820 bekannt, die beispielsweise für den Kurzwellenbereich zwischen 2 MHz und 32 MHz bestimmt ist Ihre Antennenhöhe beträgt z. B. 35 feet, wobei ein beweglicher Teil der Helix, deren kontinuierliche Änderung der Höhe bei konstant bleibenda Steigerung zuläßt, wodurch in einem sehr breiten Frequenzbereich die Antenne auf Resonanz abgestimmt werden kann. Ihr Nachteil liegt vor allem in der außerordentlich großen Höhe im Vergleich zur Wellenlänge und da vahäUnismäßig schwioigen Transportiabarkeit, weil das die Antenne aufnehmende, rohrförmige Antennengehäuse nicht veiklei- -2-

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Ausgehend von Antennen der eingangs genannten Art ist nun die Erfindung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Änderung der Antennenhöhe (H) höchstens ein Drittel ihrer Gesamthöhe beträgt, wobei die kontinuierliche Höhenänderung der Wendel durch eine auf einem mit einem Feingewinde verse-5 henen Stab drehbare, hutförmige, mit einem Feingewinde versehene Trimmscheibe erfolgt, die auf dem in der Wendelachse angebrachten Stab in axialer Richtung bewegt wird, wahlweise jedoch anstatt dar Höhe(H) auch der Durchmesser (D) der Antennenwendel quer zu deren Achse kontinuierlich veränderbar ist, wobei die Änderung des Durchmessers (D) durch ein Flügelrad erfolgt, das auf einem Stab drehbar ist, die Trimm scheibe starr verbunden mitbewegt, und mittels einer Sperrklinke gegen die Torsionskraft der Wendel verriegelbar ist, und die Wendel mit 10 ihren Enden durch Lötung in Löthülsen der Grundplatte und der Trimmscheibe gehalten ist, wobei die Trimmscheibe und die Stäbe aus hochwertigem HF-Isoliermaterial gefertigt sind.

Praktische Untersuchungen haben zu dem Ergebnis geführt, daß in erster Annäherung die Höhe der Antennenwendel und damit auch die Steigung bzw. die Ganghöhe der Wendel, aber auch deren Durchmesser die Resonanzfrequenz der Antenne beeinflussen. Wie nachfolgende Formel für die Induktivität der Wendel zeigt, ist die Höhe 15 der Antennenwendel umgekehrt proportional, der Durchmesser direkt proportional zu ihrer Induktivität. (ND)2 L =- 25.4 (18D + 40H) 20

Hiebei bedeuten: D = Wendeldurchmesser, H = Wendelhöhe und N = Zahl der Wendelwindungen. Wird nun eine federnd ausgeführte Wendel gequetscht, so wird Höhe und Steigung verringert, was zu einer Abnahme der Resonanzfrequenz der Wendelantenne führt. Das Abstimmen einer Antenne auf Resonanz ist aus Gründen optimaler Anpassung notwendig. Die kontinuierliche Änderung der Höhe oder des Durchmessers der Wendelantenne 25 führt zu einer kontinuierlichen Durchstimmbarkeit innerhalb eines Frequenzbandes, ohne dafür einen gesonderten

Bauteil verwenden zu müssen, in dem größt- und kleinstmögliehe Höhe bzw. Durchmesser der Wendel die Bandgrenzen festlegen. Der wesentliche Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht nun darin, daß in dem verhältnismäßig breiten Frequenzband von400 MHz bis 1000 MHz jede beliebige Sende- und Empfangsfrequenz mit einem Satz von drei durchstimmbaren Wendelantennen äußerst fein eingestellt bzw. justiert werden kann. 30 Eine Vielzahl einzelner, für sich abgestimmter Antennen entfällt

Zweckmäßig wird man den vorgegebenen Frequenzbereich so aufteilen, daß der jeweils in der Frequenz höher gelegene Bereich das 1,3-fache des vorhergehenden beträgt, was zu einer Aufteilung in drei Teilbänder führt, innerhalb deren die jeweils zur Anwendung gelangende Wendelantenne eine Durchstimmbarkeit von etwa 30 % zuläßt. Dies führt zu drei Antennenausführungen, deren Anzahl der Wendelwindungen im Verhältnis 1:3 gcstaf-35 feit sind. Der ganz besondere Vorteil bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Wendelantenne für bewegliche

Sendermikrophone im UHF-Bereich liegt darin, daß zufolge der Kleinheit der Antenne, diese am hinteren Ende des Mikrophonschaftes leicht untergebracht oder angebracht werden kann und damit weitaus wenig«· im praktischen Betrieb hinderlich und auch optisch nahezu nicht merkbar gegenüber einer λ/4-Stabantenne ist Im genannten Frequenzband würde die Länge für eine λ/4-Stabantenne 7,5 cm bis zu 15 cm betragen, während die erfin-40 dungsgemäße Wendelantenne bei einem Durchmesser von angenähert 1 cm eine maximale Höhe von ebenfalls nur 1 cm erreicht Würde man dagegen die Länge der Stabantenne verkürzen, was denkbar und möglich ist, so müßte man die Stabantenne mit einer Zusatzinduktivität belasten, was zu einem erheblichen Güteverlust der Stabantenne führt Die erfindungsgemäße Wendelantenne hat aber trotz ihrer Kleinheit wie schon eingangs erwähnt gegenüber einer λ/4-Dipolantenne immer noch einen Wirkungsgrad von 80 %, der trotz Abstimmung 45 erhalten bleibt

Die einfachste und technisch eleganteste Lösung für den Quetschvorgang der als federnde Wendel ausgeführten Antenne besteht darin, eine mit einem Gewinde versehene Trimmscheibe durch Drehen auf einem mit einem Feingewinde versehenen Stab axial zu bewegen. Durch Druck auf die oberste Wendel der Antenne wird eine kontinuierliche Änderung beim Drehen der Trimmscheibe von Höhe und Ganghöhe der Wendelantenne erreicht 50 und entsprechend der Feinheit in der Steigung des Gewindestabes eine korrespondierende kontinuierliche feine

Antennenabstimmung erzielt. Es bedarf wohl kein«· besonderen Erwähnung, daß Trimmscheibe und Feingewindestab aus hochwertigem HF-Isoliermaterial hergestellt sind. Die ursprüngliche Höhe der Wendel wird gemäß den bereits genannten Bedingungen so auszulegen sein, daß ohne Bildung eines Windungsschlusses die Ganghöhe beim Quetschen der Wendel auf ein Drittel reduziert werden kann. Die Zahl der Wendelwindungen ist von der 55 Gesamtlänge des Wendeldrahtes abhängig bei vorgegebenem Durchmesser der Wendel, wobei wiederum die Gesamtlänge des Wendeldrahtes durch die größte zu übertragende Wellenlänge λ bestimmt wird, indem λ groß zur Gesamtlänge bleiben muß.

Wenn auch nicht so präzise in der Anwendung wie die Abstimmung der Wendelantenne durch Änderung in der Höhe, so aber doch auch durchführbar, ist die Abstimmung der Sendefrequenz durch Änderung des Durchmessers 60 der Wendel. Eine solche Abstimmung ist immer dann von Vorteil, wenn in einem Grobbereich des Frequenz- -3-

AT 393 762 B bandes schnell und einfachst, ohne dabei auf hohe Genauigkeit zu achten, eine Frequenzeinstellung vorzunehmen ist.

Der weitere Vorteil liegt darin, wenn fallweise eine kontinuierliche Veränderung der Antennenhöhe aus Platzmangel nicht vorgenommen werden kann, da dann eine Änderung des Durchmessers dafür aber um so eher ohne 5 Schwierigkeiten durchführbar ist

Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Antennenwendel an einem Ende mit einer Koaxial-Steckverbindung versehen ist

Insbesondere die Anwendung der erfindungsgemäßen Wendelantenne für bewegliche Sendermikrophone, und hier wiederum ganz besonders solche für den Bühnenbetrieb erfordert, daß das Mikrophon entsprechend der 10 gegebenen optimalen Strahlungsbedingungen im HF-Bereich auf der jeweils vorhandenen Bühne und auch entbrechend der zum Betrieb solcher Mikrophone von den lokalen Behörden zugelassenen Sende-Empfangs-frequenzen einfach und schnell auf die vorgegebene Frequenz innerhalb des Frequenzbereiches adaptierbar ist Bei einem vorgegebenen Satz innerhalb der Fertigung vorabgestimmter Antennen ist dann der Tausch und damit die Adaptierung solcher Antennen im praktischen Betrieb durch Aufstecken der jeweils richtigen Antenne auf den IS Mikrophonschaft leicht und ohne besondere technische Maßnahmen, besonders für den Nicht-Fachmann durchführbar.

Ferner besteht eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wendelantenne darin, daß die Grundplatte der Wendelantenne gegenüber der Koaxial-Steckverbindung durch einen stabförmigen, aus hochwertigem HF-Isolier-material bestehenden Isolator im Abstand angeordnet ist und daß das UHF-Signal der Wendel über ein Stück 20 Koaxialkabel zugeführt wird. Für die besondere Anwendung der Wendelantenne im Betrieb mit Sendemikrophonen ist diese am hinteren Ende des Mikrophonschaftes aufgesteckt. Je nach Ausführung und Länge dieses Schaftes wirkt, wenn das Mikrophon in der Hand gehalten wird, die Hand selbst als Streukapazität auf die Antenne ein, wodurch eine Verstimmung in der Frequenz und damit schlechte Abstrahlungseigenschaften einher gehen. Um diesem Umstand abzu-25 helfen ist es erforderlich, die Wendelantenne selbst vom Ende des Mikrophonschaftes im Abstand zu halten, was zweckmäßigerweise mittels eines entsprechend langen, elektrisch leitenden Antennenstabes erfolgt

Wenn für bestimmte UHF-Frequenzen des Übertragungsbereiches oder für bestimmte Ausführungsformen des Mikrophonschaftes der Einfluß der von der Hand ausgehenden Streukapazität auf die Antenne zu groß ist, und die damit verbundenen Störeinflüsse zu unerträglich sind, «weist sich eine isoliert vom Mikrophonschaft abgesetzte 30 Antenne als besonders störungsunanfällig.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen dargestellt, wobei die Fig, 1 bis 3 erfindungsgemäße Ausführungsformen der Wendelantenne im Querschnitt zeigen.

Die erfmdungsgemäße Wendelantenne (1), die aus zumindest eineinhalb, jedoch nicht mehr als 10 Windungen besteht, ist in einem Schutzgehäuse (2) untergebracht, das für elektromagnetische Wellen im UHF-Bereich 35 strahlungsdurchlässig ist; vorzugsweise besteht ein solches Schutzgehäuse aus schlagfestem Kunststoff. Die Steigung der Wendel (1) ist mit (s), die Höhe mit (H) und der Durchmesser mit (D) bezeichnet Wesentlich für den UHF-Übertragungsbereich ist, daß diese geometrischen Abmaße (s, H und D), als auch die Gesamtlänge des ausgestreckt gedachten Drahtes der Wendelantenne (1) sehr klein gegenüber der Wellenlänge sind. Die Verringerung der Höhe (H) und damit auch der Steigung bzw. der Ganghöhe (s) der Wendelantenne (1) «folgt durch 40 Quetschen der federnd ausgeführten Wendel (1). Dazu wird die hutförmig ausgestaltete Trimmscheibe (3) aus hochwertigem HF-Isoliermaterial durch Drehen auf dem mit einem Feingewinde versehenen Gewindestab (4) axial verschoben. Eine kontinuierlich verlaufende Feinabstimmung der Wendelantenne (1) ist dadurch ausführbar. Nach erfolgter Abstimmung der Antenne wird die Trimmscheibe (3) am Gewindestab (4) fixiert, beispielsweise mittels eines Tropfens Lack oder Klebstoff. 45 Die gequetschte Wendel (1) ist an ihrem unteren Ende gegen die Antennen-Grundplatte (5), die aus einer Kunststoff-Leiterplatte mit geätzten Leiterbahnen und Kontakthülsen besteht, abgestützt. Der Antennenstab (6) sorgt für den bereits zuvor erwähnten erforderlichen notwendigen Abstand von der Koaxial-Steckverbindung (7), die ihrerseits auf der System-Grundplatte (8) befestigt ist. Der Antennenstab (6) ist elektrisch leitend ausgeführt und verbindet den Zentralleiter der Koaxial-Leitung mit der Antennen-Grundplatte (5) durch entsprechend ausge-50 führte Lötverbindungen. Der Anfang (9) der Wendel ist ebenfalls durch Lötung mit der Antennen-Grundplatte (5) verbunden. Der Antennenstab (6) bildet keinen Teil einer stark verkürzten Dipolantenne, sondern wirkt lediglich als UHF-Signalleiter.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wendelantenne unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten und auch beschriebenen nur darin, daß der Antennenstab (10) aus einem hochwertigen UHF-55 Isolator besteht. Das UHF-Signal wird in diesem Fall über das Stückchen Koaxialkabel (11) der Antennengrund platte zugeführt.

Eine Ausführungsform, bei der zum Abstimmen auf die Sendeftequenz der Durchmesser (D) der Wendelantenne (1) verändert wird, zeigt Fig. 3. Ein mit der Trimmscheibe (3) fest verbundenes Flügelrad (12) gestattet, die durch Lötung in Löthülsen mit der Trimmscheibe (3) und der Antennen-Grundplatte (5) fest verbundene 60 Antennenwendel (1) um die Achse (13) zu drehen. Je nach Drehrichtung wird der Durchmesser (D) in Richtung quer zur Antennenachse aufgeweitet oder verengt Eine Sperrklinke (14), die in einen Zahnkranz einrastet, verhindert ein Zurückdrehen der Wendel (1) nach erfolgter Abstimmung in deren Ausgangslage. -4-

Claims (2)

1. AT 393 762 B Das für das Wesen der Erfindung nicht bedeutende Sendermikrophon wurde in die Zeichnungen nicht aufgenommen, weil vorausgesetzt wird, daß es für den Fachmann leicht ist sich vorzustellen, wie über die Koaxial-Steckverbindung (7) die erfmdungsgemäße Wendelantenne (1) mit dem Schaftende des Mikrophons verbunden ist. Gegebenenfalls werden weitere mechanische, bereits bekannte Maßnahmen erforderlich sein, um eine lösbare, jedoch fixierbare Verbindung zwischen Wendelantenne und Mikrophonschaft herzustellen. PATENTANSPRÜCHE 1. Als Wendelantenne ausgebildete UHF-Sende- und/oder Empfangsantenne für elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 1000 MHz, die innerhalb eines geschlossenen Gehäuses, das HF-Strah-lung durchläßt, angeordnet ist, und der das UHF-Signal an einem Ende über eine Koaxial-Steckverbindung zugeführt wird, und deren Wendel mit zumindest eineinhalb, jedoch nicht mehr als 10 Windungen ausgeführt ist, wobei Durchmesser, Höhe und auch Gesamtlänge des ausgestreckten Drahtes sehr klein im Vergleich zur Wellenlänge sind, und wobei eine mechanisch zu betätigende Einrichtung die Höhe der Antennenwendel längs ihrer Achse kontinuierlich zu verändern gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Änderung der Antennenhöhe (H) höchstens ein Drittel ihrer Gesamthöhe beträgt, wobei die kontinuierliche Höhenänderung der Wendel (1) durch eine auf einem mit einem Feingewinde versehenen Stab (4) drehbare, hutförmige, mit einem Feingewinde versehene Trimmscheibe (3) erfolgt, die auf dem in der Wendelachse angebrachten Stab (4) in axialer Richtung bewegt wird, wahlweise jedoch anstatt der Höhe (H) auch der Durchmesser (D) der Antennenwendel (1) quer zu deren Achse kontinuierlich veränderbar ist, wobei die Änderung des Durchmessers (D) durch ein Flügelrad (12) erfolgt, das auf einem Stab (13) drehbar ist, die Trimmscheibe (3) starr verbunden mitbewegt, und mittels einer Sperrklinke (14) gegen die Torsionskraft der Wendel (1) verriegelbar ist, und die Wendel (1) mit ihren Enden durch Lötung in Löthülsen der Grundplatte (5) und der Trimmscheibe (3) gehalten ist, wobei die Trimmscheibe (3) und die Stäbe (4; 13) aus hochwertigem HF-Isoliermaterial gefertigt sind (Fig. 1 und 3).
2. 2. UHF-Sende- und/oder Empfangsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (5) der Wendelantenne (1) gegenüber der Koaxial-S teckverbindung (7) durch einen stabförmigen, aus hochwertigem HF-Isoliermaterial bestehenden Isolator (10) im Abstand angeordnet ist, und daß das UHF-Signal der Wendel (1) über ein Stück Koaxial-Kabel (11) zugeführt wird (Fig. 2). Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-