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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische abstrahlende
Antennen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Antenne,
die eine Rundstrahl- und eine Richtcharakteristik über mindestens
zwei verschiedene Betriebsfrequenzbänder bieten kann.
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Technischer Hintergrund
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Dualband- und dual polarisierte
Rundstrahlantennen zu finden. In
US-Patent
Nr. 4,814,777 , "Dual-Polarization
Omni-Directional Antenna System",
ist ein dual polarisiertes Rundstrahlantennensystem offenbart. Ferner
ist in
US-Patent Nr. 4,410,893 , "Dual Band Collinear
Dipole", eine kollineare
Dualband-Dipolantenne offenbart, die in zwei Frequenzbändern Rundstrahlcharakteristiken
zur Verfügung
stellt.
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Eine
Yagi-Uda-Dipolantenne verfügt über mindestens
drei Dipolelemente, nämlich
einen Dipol-Reflektor, ein gespeistes Dipolelement (Zuleitungselement)
und einen Dipol-Direktor. Um eine Richtstrahlung zu erzeugen, arbeitet
eine Yagi-Uda-Dipolantenne mit einem Frequenzband. Yagi-Uda-Antennen
werden behandelt in H. Yagi: „Beam
Transmission of Ultra Short Waves", Proc. IRE, Band 26, Juni 1928, S.
715–741;
T. Milligan: „Modern
Antenna Design",
McGraw-Hill, New York, 1985, S. 332–345; und J. D. Kraus: „Antennas", 2. Auflage, McGraw-Hill,
New York, 1988, S. 481–483.
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Von
Nutzen wäre
eine Antenne, die eine Richtcharakteristik über ein Frequenzband und eine Rundstrahlcharakteristik über ein
weiteres Frequenzband simultan erzeugen kann.
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DE 88 03 621 U richtet
sich auf ein Antennensystem. Dieses Antennensystem besitzt sowohl ein
gespeistes Dualbandantennenelement für den Betrieb bei einer oberen
Frequenz und bei einer unteren Frequenz als auch ein zweites Antennenelement,
wobei, in Reaktion auf einen angelegten elektrischen Strom mit einer
oberen und einer unteren Frequenz, das Antennensystem bei der oberen
Frequenz in einer Richtcharakteristik und bei der unteren Frequenz
in einer Rundstrahlcharakteristik abstrahlt. Bei dem gespeisten
Dualbandelement handelt es sich um einen Dipol.
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Dokument
GB 813,614 A richtet
sich auf Verbesserungen für
Antennen. Vorgesehen ist ein Antennenarray für den Betrieb mit Funkwellen
in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern und mit einer gemeinsamen
Polarisierung, umfassend Dualband-Dipolmittel, die für den Betrieb
in beiden Frequenzbändern
bemessen und so konstruiert sind, dass sie die zweckgemäße Verbindung
einer Zuleitung, eines Direktor-Elements, das parallel zu den Dipolmitteln
verläuft
und von diesen beabstandet ist und sich zum Betrieb bei der niedrigeren
Frequenz eignet, und mindestens eines Resonator-Elements mit kürzerer Länge als
das Direktor-Element für
die niedrigere Frequenz ermöglichen,
wobei das Resonator-Element eng vom Direktor-Element für die niedrigere
Frequenz beabstandet und symmetrisch in Bezug auf dessen Ende ist,
und seine Länge
annähernd
gleich der Hälfte
der Wellenlänge
bei der höheren
Frequenz ist, so dass das Direktor-Element für die niedrigere Frequenz und
das Resonator-Element in Kombination als Direktor für Wellen
bei der höheren
Frequenz arbeiten.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung ist im unabhängigen
Anspruch 1 definiert. Die abhängigen
Ansprüche
richten sich auf vorteilhafte Ausführungsformen. Erfindungsgemäß umfasst
das Antennensystem ein gespeistes Dualbandantennenelement für den Betrieb
bei einer höheren
Frequenz und einer niedrigeren Frequenz sowie ein zweites Antennenelement,
wobei, in Reaktion auf angelegten elektrischen Strom mit einer höheren und
einer niedrigeren Frequenz, das Antennensystem bei der höheren Frequenz
in einer Richtcharakteristik und bei der niedrigeren Frequenz in
einer Rundstrahlcharakteristik abstrahlt. Das gespeiste Dualbandantennenelement
ist eine Dipolantenne.
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Erfindungsgemäß umfasst
das gespeiste Dipol-Dualbandelement zwei Chokes, die mit einem ersten
Ende des Mitteldipols elektrisch verbunden sind, und zwei Chokes,
die mit einem zweiten Ende des Mitteldipols elektrisch verbunden
sind. Die beiden Chokes, die mit dem ersten Ende des Mitteldipols
elektrisch verbunden sind, und die beiden Chokes, die mit dem zweiten
Ende des Mitteldipols elektrisch verbunden sind, kürzen eine
elektrische Länge des
Dualbandantennenelements bei einer höheren Frequenz. Bei der höheren Frequenz
strahlt der Mitteldipol in Reaktion auf angelegten Strom mit der
höheren
Frequenz ab, und bei der niedrigeren Frequenz strahlen der Mitteldipol
und die Chokes in Reaktion auf angelegten Strom mit der niedrigeren
Frequenz ab.
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Des
Weiteren kann das gespeiste Dualbandantennenelement eine selektive
Frequenzimpedanzanpassungsschaltung beinhalten, die zwischen dem
Mitteldipol und dem Choke in Reihe geschaltet ist, wobei sich die
selektive Frequenzimpedanzanpassungsschaltung eignet, um die Impedanz
einer Übertragungsleitung
anzupassen. Bei der Impedanzanpassungsschaltung kann es sich um
einen Widerstand oder ein Reaktanzelement handeln.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann
das zweite Antennenelement ein Reflektor sein, welcher Strahlung
bei der höheren
Frequenz reflektiert. Beim Reflektor kann es sich um eine gedruckte Verdrahtung
handeln, die etwa halb so lang ist wie eine Strahlungswellenlänge bei
der höheren
Frequenz. Der Reflektor kann breiter sein als das gespeiste Dualbandantennenelement.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform besteht das zweite
Antennenelement in mindestens einem Direktor, der so konfiguriert
ist, dass er die Strahlung bei der höheren Frequenz richtet. Bei
dem mindestens einen Direktor kann es sich ebenfalls um eine gedruckte
Verdrahtung auf dem dielektrischen Substrat handeln.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das zweite Antennenelement
ein zweites gespeistes Element, das an das gespeiste Dualbandelement
elektrisch gekoppelt und bei der höheren Frequenz funktionsfähig ist.
Das gespeiste Dualbandelement und das zweite gespeiste Element können durch
eine Übertragungsleitung
elektrisch gekoppelt sein. Bei der Übertragungsleitung kann es sich
um eine symmetrische Übertragungsleitung handeln,
die sich eignet, um dem gespeisten Dualbandantennenelement und dem
zweiten gespeisten Antennenelement elektrische Energie zu liefern.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann
die Übertragungsleitung
zwei Teile umfassen, nämlich
einen ersten Teil, der auf eine erste Seite einer dielektrischen
Platte gedruckt ist, und einen zweiten Teil, der auf eine zweite
Seite der dielektrischen Platte gedruckt ist. Der erste Übertragungsleitungsteil
kann eine erste und eine zweite elektrisch leitende Bahn beinhalten,
die auf die erste Seite der dielektrischen Platte gedruckt sind,
wobei die erste und die zweite Bahn im Wesentlichen parallel verlaufen
und an ihren Enden verbunden sind und ferner in einem Bereich zwischen
ihren Enden durch ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante
von ungefähr
eins getrennt sind. Der zweite Übertragungsleitungsteil
kann eine dritte und eine vierte elektrisch leitende Bahn beinhalten,
die auf die zweite Seite der dielektrischen Platte gedruckt sind,
wobei die dritte und die vierte Bahn parallel verlaufen und an ihren
Enden verbunden sind und ferner in einem Bereich zwischen ihren Enden
durch ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa eins getrennt
sind. Eine Öffnung kann
durch die dielektrische Platte zwischen mindestens zwei der Metallleiterbahnen
angebracht sein. Es besteht die Möglichkeit, Öffnungen durch die dielektrische
Platte auf der einen oder der anderen Seite der Übertragungsleitungsbahnen anzubringen.
Beispielsweise kann eine zweite Öffnung
durch die dielektrische Platte in einem Bereich außerhalb
der Übertragungsleitung
angebracht sein; und eine dritte Öffnung kann durch die dielektrische
Platte in einem zweiten Bereich außerhalb der Übertragungsleitung gegenüber dem
ersten Bereich angebracht sein.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das zweite gespeiste
Antennenelement ein Dipol. Des Weiteren kann das Antennensystem einen
Balun beinhalten, der so konfiguriert ist, dass er unsymmetrische
elektrische Energie erhält
und dem gespeisten Dipol-Dualbandelement
und dem zweiten gespeisten Dipolantennenelement symmetrische elektrische
Energie liefert. Beim Balun kann es sich um einen kompensierten
Balun handeln, der an das gespeiste Dualbandelement und an die Übertragungsleitung
elektrisch gekoppelt ist. Eine Längsachse
des Baluns kann im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptachse des
gespeisten Dipol-Dualbandelements und zur Hauptachse des zweiten
gespeisten Dipolelements und ferner im Wesentlichen parallel zur Übertragungsleitung
angeordnet sein.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das Antennensystem
einen Reflektor beinhalten, der so konfiguriert ist, dass er Strahlung bei
der höheren
Frequenz reflektiert, und es kann einen Yagi-Uda-Antennenarray bilden.
Als Alternative dazu ist es möglich,
dass das Antennensystem mindestens einen Direktor enthält, der
so gestaltet ist, dass er Strahlung bei der höheren Frequenz richtet; auf
diese Weise sind das gespeiste Dualbandantennenelement, das zweite
gespeiste Element und das mindestens eine Direktorelement so angeordnet, dass
sie einen Yagi-Uda-Antennenarray bilden. Außerdem kann das Antennensystem
sowohl einen Reflektor als auch einen Direktor umfassen, die bei
der höheren
Frequenz arbeiten und so angeordnet sind, dass sie einen Yagi-Uda-Antennenarray
bilden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann dieses Antennensystem
ein gespeistes Dipol-Dualbandelement und ein zweites gespeistes
Antennenelement umfassen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform kann
jeder Choke eine u-förmige
Verlängerung
umfassen, wobei ein Ende der Verlängerung mit einem Ende des
Mitteldipols verbunden ist und die u-förmige Verlängerung zwei Schenkel aufweist,
die eine Viertelwellenlänge-Übertragungsleitung bei der
höheren
Frequenz bilden, und wobei ein Segment der u-förmigen Verlängerung einen Kurzschluss für Strom
mit der höheren
Frequenz bildet. In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine leitende
Verlängerung
an das Kurzschlusssegment mindestens einer u-förmigen Verlängerung elektrisch gekoppelt sein,
wobei die leitende Verlängerung
so angepasst ist, dass sie bei der höheren Frequenz die Strahlungseffizienz
aufrechterhält
und bei der niedrigeren Frequenz die Strahlungseffizienz sowie die
Eingangsimpedanzbandbreite verbessert. In einer beispielhaften Ausführungsform
weist das gespeiste Dualbandantennenelement eine elektrische Länge auf, die
kurz ist in Bezug auf die Hälfte
einer Wellenlänge bei
der niedrigeren Frequenz, und das gespeiste Dualbandelement umfasst
Einrichtungen, die mit der u-förmigen
Verlängerung
am Kurzschlusssegment der u-förmigen Verlängerung
elektrisch verbunden sind. Die Impedanzeinrichtungen ermöglichen
es, dass der Mitteldipol und die u-förmigen Verlängerungen bei der niedrigeren
Frequenz mit verbesserter Strahlungseffizienz abstrahlen in Reaktion
auf einen angelegten Strom mit der niedrigeren Frequenz.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung richtet sich auf eine Dualmodusantenne,
die in einer Yagi-Uda-Konfiguration eingerichtet ist, die gleichzeitig sowohl
eine Rundstrahlcharakteristik als auch eine Richtcharakteristik über mindestens
zwei Frequenzbänder
unterstützen kann.
Die Antenne umfasst wenigstens ein gespeistes Element. Ferner kann
die Antenne einen Reflektor, welcher Strahlung bei einem der Frequenzbänder reflektiert,
und auch Direktoren beinhalten, welche Strahlung richten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute
auf diesem Gebiet offensichtlich bei Lektüre der folgenden detaillierten
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen und Beispielen
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen, in denen die gleichen Elemente durch die gleichen Bezugsziffern
bezeichnet werden:
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1 ist
eine Skizze einer beispielhaften Dualband-Richt-/Rundstrahlantenne.
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2 ist
eine Skizze einer beispielhaften Ausführungsform eines gespeisten
Dualbandelements zur Verwendung in einer Dualband-Richt-/Rundstrahlantenne.
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3A und 3B sind
Draufsichten auf eine Ausführungsform
einer Antenne mit gedruckter Verdrahtung, einschließlich einer Übertragungsleitung,
eines gespeisten Dualbandantennenelements und eines zweiten gespeisten
Elements, die auf einem Substrat angebracht sind. In 3A ist
die Querschnittlinie 1-1 für 3C angegeben.
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3C ist
eine Querschnittdarstellung der Ausführungsform aus 3A und 3B.
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4 ist
eine Querschnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform
der Antenne mit gedruckter Verdrahtung, einschließlich eines
Baluns.
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5A und 5B veranschaulichen
die errechneten und gemessenen Strahlungscharakteristiken einer
beispielhaften Ausführungsform
einer Antenne bei einer UHF-Frequenz.
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6A und 6B veranschaulichen
die errechneten und gemessenen Strahlungscharakteristiken einer
beispielhaften Ausführungsform
einer Antenne bei einer L-Band-Frequenz.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst einen Yagi-Uda-Antennenarray,
der ein neuartiges gespeistes Dualbandelement nutzt, um eine Rundstrahlcharakteristik
bei einer Frequenz zu erzeugen, bei der es sich nicht um das normale Betriebsfrequenzband
der Yagi-Uda-Antenne handelt (z. B. bei einer niedrigeren Frequenz);
gleichzeitig wird die normale Richtcharakteristik der Yagi-Uda-Antenne
bei deren normaler Betriebsfrequenz aufrechterhalten.
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Gegenüber anderen
Antennensystemen bietet die vorliegende Erfindung mehrere Vorteile.
Richt- und Rundstrahlcharakteristik lassen sich bei verschiedenen
Frequenzen gleichzeitig erzielen. Weiterhin stellt die vorliegende
Erfindung eine größere Antennenfrequenzbandbreite
für Antennengewinn, Strahlungscharakteristik
und Eingangsimpedanz zur Verfügung
als ein herkömmlicher
Yagi-Uda-Antennenarray. Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, eine
Impedanzanpassungseinrichtung oder -schaltung zu nutzen, die durch
die Isolation, die mithilfe der Erfindung des speziellen Dualbandelements
erreicht wird, nur das niedrigere Frequenzband beeinflusst. Zusätzlich ist
in beiden Frequenzbändern
die volle Strahlungseffizienz möglich.
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1 veranschaulicht
ein Antennensystem 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der
Erfindung. Dieses Antennensystem 100 umfasst ein gespeistes
Dualbandantennenelement 108 für den Betrieb bei einer höheren Frequenz
und einer niedrigeren Frequenz. Des Weiteren beinhaltet das Antennensystem 100 ein
zweites Antennenelement, wobei, in Reaktion auf einen angelegten
elektrischen Strom mit einer höheren
und einer niedrigeren Frequenz, das Antennensystem bei der höheren Frequenz
in einer Richtcharakteristik und bei der niedrigeren Frequenz in
einer Rundstrahlcharakteristik ausstrahlt. Das zweite Antennenelement
kann ein beliebiges Element sein, dessen Konfiguration es ermöglicht,
dass das Antennensystem 100 bei einer ersten Frequenz in
Rundstrahlcharakteristik und bei einer zweiten Frequenz in Richtcharakteristik
ausstrahlt, und zwar in Reaktion auf angelegten elektrischen Strom.
In der exemplarischen Ausführungsform
aus 1 kann das zweite Antennenelement Direktoren 132 umfassen,
welche bewirken, dass Strahlung bei einer höheren Frequenz in Vorwärtsrichtung
gerichtet wird (die in 1 als X-Richtung dargestellt
ist). Alternativ dazu kann es sich beim zweiten Antennenelement
um einen Reflektor 134 handeln, welcher Strahlung bei höherer Frequenz vom
gespeisten Dualbandelement 108 in Vorwärtsrichtung reflektiert. Darüber hinaus
kann das zweite Antennenelement auch ein zweites gespeistes Antennenelement 136 darstellen,
das bei einer höheren Frequenz
funktionsfähig
ist. In der beispielhaften Ausführungsform
aus 1 enthält
das Antennensystem 100 einen Reflektor 134, Direktoren 132 und ein
zweites gespeistes Antennenelement 136.
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Die
Begriffe Richtcharakteristik und Rundstrahlcharakteristik beziehen
sich auf die Strahlungscharakteristik, die von einer Antenne in
einer Ebene erzeugt oder empfangen wird. Beispielsweise besitzt ein
Dipolantennenelement eine Strahlungscharakteristik, die in einer
zur Achse des Dipols normalen Ebene omnidirektional ist.
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1 zeigt
eine exemplarische Ausführungsform
eines gespeisten Dualbandelements 108, das sich in einer
Dualband-Rundstrahl-/Richtantenne einsetzen lässt. Das gespeiste Dualbandelement 108 arbeitet
sowohl bei einer niedrigeren als auch bei einer höheren Frequenz.
In einer beispielhaften Ausführungsform
befindet sich die niedrigere Frequenz innerhalb eines niedrigeren
Frequenzbands, d. h. eines UHF-Bands, und die höhere Frequenz liegt innerhalb
eines höheren
Frequenzbands, d. h. eines L-Frequenzbands. Das gespeiste Element 108 kann an
den symmetrischen Anschlüssen
durch eine Hochfrequenz (HF)-Signalquelle
mit symmetrischem Modus gespeist werden. Ebenfalls einsetzbar ist
ein Balun, um das Speisen durch eine HF-Signalquelle mit asymmetrischem
Modus, z. B. koaxial, vorzunehmen. In der Ausführungsform aus 1 handelt
es sich beim gespeisten Dualbandelement 108 um ein Dipolantennenelement.
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Damit
es sowohl bei den höheren
als auch bei niedrigeren Frequenzen funktioniert (d. h. Strahlung
abstrahlt oder empfängt),
verfügt
das gespeiste Dualbandelement 108 über mindestens einen Choke 110,
der das Abstrahlen von Strömen
des höheren Bands
abdrosselt und verhindert, dass im Choke 110 vorhandene
Ströme
des höheren
Bands eine Fernfeldabstrahlung erzeugen. Ein beispielhafter Choke ist
in 1 als u-förmiges
Verlängerungsende 110 dargestellt,
das an einem Ende des Mitteldipols angeordnet und elektrisch an
diesen gekoppelt ist.
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Das
gespeiste Dualbandelement 108 kann mehr als einen Choke
besitzen. Beispielsweise kann an jedem Ende des Mitteldipols des
gespeisten Dualbandelements 108 ein Choke angeordnet sein,
damit für
den Betrieb bei niedrigerer Frequenz eine ausreichende Länge zur
Verfügung
steht. In der exemplarischen Ausführungsform aus 1 weist
ein Mitteldipol vier u-förmige
Verlängerungsenden 110 auf,
die mit den Enden des Mitteldipols elektrisch verbunden sind. Die
Verwendung von vier u-förmigen
Verlängerungsenden,
also von zwei an jedem Ende des Mitteldipols, verschafft eine stärkere Abdrosselung
und eine größere effektive
Länge bei
der niedrigeren Frequenz.
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Obwohl
die u-förmigen
Verlängerungen 110 aus 1 in
der gleichen Ebene liegen wie der Mitteldipol des gespeisten Elements 108,
können
sich weitere alternative Chokes, die einsetzbar sind, aus dieser
Ebene heraus erstrecken. Ein alternativer Choke kann als Konus geformt
sein oder eine andere Form besitzen, wobei er eine elektrische Verbindung zum
Bereich des Mitteldipols aufweist. Ein solcher konusförmiger Choke
lässt sich
durch Drehen der u-förmigen
Verlängerungen 110 um
die Längsachse des
Mitteldipols visualisieren.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
aus 1 handelt es sich beim Dualband-Mitteldipol um einen
Dipol mit einer Länge,
die es ermöglicht,
dass er bei einer höheren
Frequenz abstrahlt. Überdies strahlt
der Dualband-Mitteldipol, gemeinsam mit den u-förmigen Verlängerungsenden 110,
auch bei der niedrigeren Frequenz ab.
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Jedes
u-förmige
Verlängerungsende 110 fungiert
bei der höheren
Frequenz als eine Viertelwellelänge-Übertragungsleitung.
Als Kurzschluss für diese Übertragungsleitung
fungiert bei der höheren Frequenz
das distale Ende 124 der u-förmigen Verlängerung 110. Die Länge L des
Verlängerungsendes 110 beläuft sich
auf annähernd
eine Viertelwellenlänge
der Betriebsfrequenz bei der höheren
Frequenz. Die beiden Schenkel 152 der u-förmigen Verlängerung 110 sollten
so weit auseinander liegen, dass eine zweckgemäß hohe charakteristische Impedanz zur
Verfügung
steht.
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Jedes
u-förmige
Verlängerungsende 110 weist
eine hohe Impedanz auf und minimiert auf diese Weise Ströme mit höherer Frequenz
an seinem proximalen, offenen Ende 116. Somit fungiert
das u-förmige
Verlängerungsende 110 als
Hochfrequenz-Choke, um die elektrische Länge des gespeisten Elements 108 bei
der höheren
Betriebsfrequenz zu verkürzen.
Allerdings besitzt dieser Choke eine schwächere Wirkung auf die Ströme mit niedrigerer Frequenz,
weil die u-förmige
Verlängerung
in Bezug auf die geringere Wellenlänge kürzer ist. Deshalb strahlen
sowohl die u-förmigen
Verlängerungen 110 als
auch der Mitteldipolabschnitt beim niedrigeren Frequenzband ab.
Folglich ermöglicht
die elektrisch verkürzte
Länge bei
der höheren
Frequenz den gleichzeitigen Betrieb des gespeisten Dualbandelements 108 sowohl
bei einer niedrigeren Frequenz als auch bei einer höheren Frequenz.
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Selbstverstandlich
können
das gespeiste Dualbandelement 108 und weitere hierin behandelte Antennenelemente
auch einfallende Strahlung empfangen und elektrischen Strom erzeugen,
welcher der empfangenen Strahlung entspricht. Eine Antenne, welche
diese Elemente verwendet, ist in der Lage, Strahlung entweder zu übertragen
oder zu empfangen.
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Um
die Gesamtgröße der Antenne
zu verringern, besteht die Möglichkeit,
das gespeiste Element 108 mit einer Gesamtlänge zu konstruieren,
die gegenüber
der niedrigeren Frequenz elektrisch kurz ist. Gewöhnlich strahlt
ein elektrisch kurzer Dipol ineffizient ab und reflektiert einen
signifikanten Prozentsatz der Energie, die an seine Anschlüsse gelegt
wird, zurück,
die angeschlossene HF-Übertragungsleitung hinab.
Um es möglich
zu machen, dass das gespeiste Element bei der verkürzten Länge in effizienter Weise
abstrahlt, kann eine Impedanzanpassungsschaltung 118, welche
Impedanzanpassungseinrichtungen, z. B. Widerstände oder Reaktanzelemente, etwa
Kondensatoren und Induktoren, umfasst, in Reihe mit dem abstrahlenden
Element hinzugeschaltet werden, um Widerstand und/oder Reaktanz
hinzuzufügen.
In einer beispielhaften Ausführungsform
sind die Impedanzanpassungseinrichtungen 118 in einem Bereich 112 zwischen
dem Mitteldipol und den Chokes 110 hinzugeschaltet, knapp
im Innern des offenen Endes 116 der Chokes 110.
Da sich der Bereich 112 dort befindet, wo Ströme mit höherer Frequenz bedingt
durch das Vorhandensein des Chokes minimiert werden, haben Impedanzanpassungseinrichtungen 118 eine
signifikante Wirkung auf den Betrieb bei niedrigerem Band, wohingegen
sie einen zu vernachlässigenden
Effekt auf den Betrieb bei höherem Band
haben und somit eine selektive Frequenzimpedanzanpassung erlauben.
Wie für
Fachleute auf diesem Gebiet eindeutig, kann bzw. können der
Widerstand und/oder die Reaktanz dieser Einrichtungen so bemessen
werden, dass das gewünschte
Gleichgewicht zwischen der Effizienz der Antennenstrahlung und der
Eingangsimpedanzbandbreite erreicht wird.
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Die
reflektierte Energie lässt
sich verringern, indem ein Widerstand mit dem Strahlungswiderstand des
Dipols in Reihe eingefügt
wird, so dass der Widerstand der gesamten Reihe stärker mit
der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung übereinstimmt,
die dem Antennenelement die elektrische Energie liefert. Zwar verbessert
dieses Verfahren die Eingangsimpedanz durch Verringerung der reflektierten
Energie, aber es bewirkt keine Verbesserung der Strahlungseffizienz,
weil die nicht abgestrahlte Energie durch den zugeschalteten Reihenwiderstand
dissipiert. Als Alternative dazu besteht die Möglichkeit, die reflektierte
Energie durch Verwenden von Reaktanzelementen oder deren im Handel
vertriebenen Äquivalenten
zu reduzieren, um die Impedanzanpassung zu verbessern. Ein rein
reaktives Impedanzanpassungsverfahren ermöglicht zwar, dass der Dipol seine
volle Strahlungseffizienz realisiert, verringert aber seine Eingangsimpedanzbandbreite
infolge des erhöhten
Q der Schaltung, die durch die zusätzliche Reaktanz verursacht
wird. Mit einer Mischung aus Widerstands- und Reaktanzeinrichtungen
wird jede gewünschte
Abstimmung zwischen Strahlungseffizienz und Eingangsimpedanzbandbreite
erzielt.
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2 veranschaulicht
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines gespeisten Dualbandelements 200, das als Dipol konfiguriert
ist, der gegenüber
der niedrigeren Frequenz elektrisch kurz ist. Das gespeiste Dualbandelement 200 beinhaltet
vier Hochfrequenz-Chokes 110. In einer beispielhaften Ausführungsform
ist jeder Choke 110 als u-förmige Verlängerung gestaltet, die (bei
der höheren
Frequenz) als Viertelwellelänge-Übertragungsleitung fungiert,
die am distalen Ende 124 kurzgeschlossen wird.
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Es
besteht die Möglichkeit,
eine Verlängerung 204 am
kurzgeschlossen Segment 124 des u-förmigen
Verlängerungsendes 110 hinzuzufügen. Bei
der Verlängerung 204 kann
es sich um einen leitenden Draht oder ein anderes leitendes Metall
handeln oder auch um eine Metallleiterbahn, die auf ein dielektrisches
Substrat gedruckt ist. Das Hinzufügen der Verlängerung 204 zum
gespeisten Dualbandelement 200 vergrößert die Gesamtlänge des
gespeisten Dualbandelements, ohne die Länge oder die Position des Hochfrequenz-Chokes
zu verändern. Durch
die Vergrößerung der
Gesamtlänge
des gespeisten Dualbandelements und ferner durch die Beibehaltung
der Länge
und der Position der Chokes wird das gespeiste Dipol-Dualbandelement 200 zwar elektrisch
länger,
bleibt aber nach wie vor kürzer
als eine halbe Resonanzwellenlänge
bei der niedrigeren Frequenz. Aus der zusätzlichen Länge, die sich durch die Verlängerungen 204 ergibt,
resultieren bei der niedrigeren Frequenz eine höhere Effizienz und eine größere Bandbreite.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
aus 2 sind Impedanzeinrichtungen 206 ins
Kurzschlusssegment 124 der u-förmigen Verlängerungen 110 eingefügt. Die
Impedanzeinrichtung 206 kann ein paralleler Induktivität/Kapazität (LC)-Schaltkreis
sein, der nahe der niedrigeren Frequenz schwingt. Dieser besitzt
die erwünschte
Eigenschaft, dass er die Effizienz des Chokes bei der niedrigeren
Frequenz senkt, indem er eine hohe Reaktanz aufweist und die u-förmigen Verlängerungen
wirkungsvoll abkoppelt. Ferner bewahrt der parallele LC-Schaltkreis
bei der höheren
Frequenz die Effizienz des Chokes, indem er eine geringe Reaktanz
aufweist und die Verbindung effizient aufrechterhält.
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Unter
Verwendung des gespeisten Dualbandelements lassen sich verschiedene
exemplarische Antennen konstruieren. Es besteht die Möglichkeit zum
Aufbau eines Antennensystems mit einem gespeisten Dualbandantennenelement
und einem zweiten Antennenelement, die zusammenarbeiten, um bei
einer niedrigeren Frequenz eine Rundstrahlcharakteristik und bei
einer höheren
Frequenz eine Richtcharakteristik simultan zu erzeugen. Beim zweiten
Antennenelement kann es sich um ein zweites gespeistes Antennenelement
handeln, um einen Reflektor, der die Strahlung bei der höheren Frequenz
reflektiert, oder um einen Direktor, der die Strahlung bei der höheren Frequenz
richtet. Verschiedene Kombinationen aus diesen Elementen können beispielhafte
Antennensysteme gemäß der Erfindung
bilden.
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Der
exemplarische Antennenarray aus 1 ist als
Yagi-Uda-Antennenarray konfiguriert, obwohl andere Antennenarraytypen
ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung vorgesehen sind.
Allgemein ausgedrückt,
ist als Yagi-Uda-Antennenarray ein Antennenarray bekannt, der ein
aktiv gespeistes Element (also das mit der Übertragungsleitung verbundene
Element) besitzt, häufig
als das Zuleitungselement bezeichnet, und zwei oder mehr parasitäre Elemente,
z. B. einen Reflektor, und einen oder mehrere Direktoren, aufweist.
Ein Antennenarray ist eine Antenne mit vielen Elementen. Bei einer Yagi-Uda-Antenne
mit Dipol handelt es sich um einen Längsstrahlerarray (Endfire Antenna
Array), welcher Dipolantennenelemente nutzt, die üblicherweise
alle in der gleichen Ebene liegen. Allgemein regt das gespeiste
Element die anderen Elemente parasitär zur Erzeugung eines Endfire-Strahls an.
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In
der Ausführungsform
aus 1 sind der Reflektor und die Direktoren so konfiguriert,
dass sie bei der höheren
Frequenz arbeiten. Beispielsweise sind die Längen der Direktoren annähernd gleich
der Hälfte
der Wellenlänge
der höheren
Frequenz. Weitere Parameter eines Yagi-Uda-Antennenarrays sind Fachleuten
auf diesem Gebiet wohlbekannt. Die Antennenelemente können in
einer Entfernung voneinander angeordnet sein, die annähernd gleich
dem 0,1-fachen der Wellenlänge
der höheren
Frequenz ist. Wie bei herkömmlichen
Yagi-Uda-Antennenarrays besteht die Möglichkeit, die Anzahl der Direktoren
zu variieren, die eingesetzt werden, um den Gewinn und die Strahlungscharakteristiken
der Antenne zu steuern. In der beispielhaften Ausführungsform aus 1 kann
zwecks verbesserter Antennenleistung die Breite W des Reflektors
oder, falls der Reflektor aus Draht besteht, sein Durchmesser größer sein
als die Breite des gespeisten Elements 108 und der Direktoren 132.
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Wie
oben dargelegt, schwingt das gespeiste Dualbandelement 108 bedingt
durch den Betrieb der Chokes 110 sowohl bei einer höheren als
auch bei einer niedrigeren Frequenz. Die Zusammenarbeit zwischen
dem gespeisten Element 108, dem Reflektor 134 und
den Direktoren 132 ermöglicht
es, dass der Reflektor und die Direktoren die Strahlung bei höherer Frequenz
in Vorwärtsrichtung
(dargestellt als X in 2) richten. Das gespeiste Element 108 strahlt auch
bei einem niedrigeren Frequenzband ab und erzeugt beim niedrigeren
Frequenzband eine Rundstrahlcharakteristik, die größtenteils
unbeeinträchtigt von
den parasitären
Elementen 134 und 132 ist. So macht es das gespeiste
Element 108 möglich,
dass die Antenne bei einer niedrigeren Frequenz eine Rundstrahlfunktion
und bei einer höheren
Frequenz eine Richtfunktion aufweist.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
aus 1 ist das zweite gespeiste Element 136 des
Antennenarrays zwischen dem Reflektor 134 und dem gespeisten
Dualbandelement 108 angeordnet. Das zweite gespeiste Element 136 stellt
in der beispielhaften Ausführungsform
aus 1 ein Dipolelement dar, das bei der höheren Frequenz
arbeitet. In Zusammenarbeit mit dem gespeisten Dualbandelement 108 und
den parasitären
Elementen 132 und 134 fungiert das zweite gespeiste
Element 136, um einen größeren Gewinn zu erzeugen und
die Bandbreite der Antenne in einem höheren Frequenzband zu vergrößern, das
die höhere
Frequenz einschließt.
Der Betrieb des zweiten gespeisten Elements 136 bei der höheren Frequenz
beeinträchtigt
den Betrieb des gespeisten Elements 108 bei der niedrigeren
Frequenz nicht.
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Die
Verwendung von zwei oder mehr gespeisten Elementen vergrößert die
Frequenzbandbreite sowohl der Eingangsimpedanz als auch der Strahlungscharakteristiken,
erhöht
den Antennengewinn und verbessert die Strahlungscharakteristikleistung,
wie z. B. das Vor-Rück-Verhältnis. Die
Verwendung der beiden gespeisten Elemente steigert die Leistung
jener Yagi-Uda-Antennen in besonderem Maße, die lediglich über ein
paar parasitäre
Elemente verfügen.
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Die
Enden des zweiten gespeisten Elements 136 können so
geformt sein, das sie sich vom Dualmodus-Antennenelement 108 wegbiegen,
um jegliche Interferenz zwischen dem zweiten gespeisten Element 136 und
den u-förmigen
Verlängerungen 110 des
gespeisten Dualmodus-Antennenelements 108 zu
reduzieren.
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Des
Weiteren kann das Antennensystem eine Übertragungsleitung 122 umfassen,
die mit dem gespeisten Dualbandelement 108 und dem zweiten gespeisten
Element 136 elektrisch verbunden ist. Handelt es sich bei
den gespeisten Elementen, wie in der exemplarischen Ausführungsform
aus 1, um Dipole, kann eine symmetrische Übertragungsleitung den
Dipolen elektrischen Strom zuführen.
Die symmetrische Übertragungsleitung
für eine
Dipolantenne kann eine charakteristische Impedanz von annähernd 100
Ohm aufweisen.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform
ist die Übertragungsleitung 122 eine
luftgefüllte,
sich überkreuzende Übertragungsleitung,
die eine Symmetriemodusansteuerung mit dem richtigen Phasenverhältnis zwischen
den gespeisten Elementen liefert. 3A, 3B und 3C (die
nicht maßstabsgerecht
sind) veranschaulichen eine exemplarische, in geringem Maße dielektrische,
symmetrische 100-Ohm-Übertragungsleitung 122 zur
Verwendung mit einer exemplarischen Ausführungsform einer Dualband-Richt-/Rundstrahlantenne
mit gedruckter Verdrahtung. In der exemplarischen Ausführungsform aus 3A–3C umfasst
die Übertragungsleitung 122 eine
gedruckte Verdrahtung auf beiden Seiten einer dielektrischen Platte.
Wenn die Antennenelemente aus Metallleiterbahnen, die auf ein dielektrisches
Substrat gedruckt sind, aufgebaut sind, ist es wünschenswert, auch die Übertragungsleitung,
welche die beiden gespeisten Elemente verbindet, in Form von Metallleiterbahnen
zu bilden, die auf die dielektrischen Platte gedruckt werden, obgleich
die Übertragungsleitung
aus tatsächlichen
Drähten
oder irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen kann, um den
gespeisten Elementen elektrischen Strom zu liefern.
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In
der exemplarischen Ausführungsform,
die in 3A, 3B und 3C dargestellt
ist, wird dem gespeisten Dualbandelement 108 und der Übertragungsleitung 122 elektrische
Energie an den Anschlüssen 330, 332 zugeführt. Die
dielektrische Platte 302, welche die gedruckte Verdrahtung
trennt, welche die verschiedenen Antennenelemente und die Übertragungsleitung 122 bildet,
kann aus jedem beliebigen Material bestehen, das sich zur Trennung der
gedruckten Verdrahtung eignet. Die dielektrische Konstante der dielektrischen
Platte ist vorzugsweise größer als
eins. In einer exemplarischen Ausführungsform besitzt die dielektrische
Platte eine Dicke von 0,060 Inch bzw. 0,1524 cm und eine dielektrische Konstante
von 3,0. Die Metallbeschichtung, welche die Übertragungsleitung, den Reflektor 134 und
die gespeisten Elemente 108, 136 bildet, besteht
in einer exemplarischen Ausführungsform
aus einer Unze galvanisch aufgebrachtem Kupfer, obwohl sich auch andere
geeignete Typen elektrisch leitender Materialen und andere Dicken
verwenden lassen. (Nicht dargestellte) Direktoren können auch
vor dem gespeisten Dualband-Antennenelement gebildet werden.
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Auf
einer ersten Oberfläche
der dielektrischen Platte 302 werden eine erste Hälfte 320 des gespeisten
Dualbandantennenelements 108, eine erste Hälfte 322 des
zweiten gespeisten Antennenelements 136 und eine erste
Hälfte
der Übertragungsleitung 122 gebildet.
Auf der zweiten Oberfläche
der dielektrischen Platte 302 werden eine zweite Hälfte 324 des
Dualbandantennenelements 108, eine zweite Hälfte 326 des
zweiten Dipolantennenelements 136 und eine zweite Hälfte der Übertragungsleitung 122 gebildet.
Die erste Hälfte
der Übertragungsleitung 122 umfasst
zwei parallele Metallleiterbahnen 308 und 310,
die an Enden 356, 358 verbunden sind. Die zweite
Hälfte
der Übertragungsleitung,
die auf die gegenüberliegende
Seite der dielektrischen Platte 302 gedruckt ist, beinhaltet
zwei parallele Metallleiterbahnen 312 und 314,
die an Enden 352, 354 verbunden sind.
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Wenn
die Übertragungsleitung
auf eine dielektrische Platte gedruckt ist, steuern die Bahnbreite, die
Plattendicke und die dielektrische Konstante des dielektrischen
Materials die charakteristische Impedanz, während die dielektrische Konstante
in erster Linie die Phasengeschwindigkeit steuert. Das Entfernen
dielektrischen Materials von der einen oder der anderen Seite der Übertragungsleitung 122,
um Öffnungen 342, 344 durch
das dielektrische Material zu formen, erhöht die Phasengeschwindigkeit
auf einen Wert, der näher
an jenem einer luftgefüllten Übertragungsleitung
liegt. Die Öffnungen
können
angebracht werden, indem das dielektrische Material nach dem Drucken
der Metallleiterbahnen entfernt wird. Allerdings ist es möglich, dass
das Entfernen dielektrischen Materials von der einen oder der anderen Seite
der Übertragungsleitung
die Phasengeschwindigkeit nicht ausreichend erhöht. Das Entfernen zusätzlichen
dielektrischen Materials aus dem Inneren der Übertragungsleitung, beispielweise
durch Bohren einer Reihe von Löchern
oder Fräsen
eines Schlitzes entlang der Mittellinie der Übertragungsleitung, und das
Regulieren der Bahngeometrie führen
zu einer weiteren Steigerung der Phasengeschwindigkeit und zur Aufrechterhaltung
der charakteristischen Impedanz. In der exemplarischen Ausführungsform
aus 3A–3C weist
die dielektrische Platte 302 eine schlitzförmige Öffnung 340 auf,
die durch die dielektrische Platte 302 zwischen den parallelen
Bahnen geformt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist jede Öffnung 342, 344 auf
der einen wie der anderen Seite der Übertragungsleitung 122 etwa zweimal
so breit wie der Schlitz 340 durch das dielektrische Material
zwischen den Übertragungsleitungsbahnen.
Die Übertragungsleitungsabschnitte 308 und 312 befinden
sich auf der einen Seite des Schlitzes 340, und die Übertragungsleitungsabschnitte 310, 314 befinden
sich auf der anderen Seite des Schlitzes 340. Um die gewünschte charakteristische Impedanz
aufrechtzuerhalten, kann die Bahnbreite der Übertragungsleitungsabschnitte 308, 310, 312, 314 geringfügig vergrößert werden.
Bei diesen Verfahren wird die Phasengeschwindigkeit maximiert, indem
der Umfang des elektrischen Streufelds in der umgebenden und der
innen befindlichen Luft maximiert wird, während die gewünschte charakteristische
Impedanz aufrechterhalten und die Herstellung durch Standardverfahren
für gedruckte
Verdrahtung ermöglicht
wird. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass sich diese
Verfahren auch auf eine unsymmetrische Übertragungsleitung zwecks Einsatz
in einer Monopol-basierten Implementierung der vorliegenden Erfindung
anwenden lassen.
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Eine
Antenne mit Dipol-basierten gespeisten Elementen arbeitet am besten
mit einer symmetrischen elektrischen Quelle. Um ein Dipolelement
mit einer unsymmetrischen Quelle (z. B. einem Kabel mit koaxialem
Aufbau oder einer Mikrostreifenleitung) zu speisen, lässt sich
ein Balun, ein Anpassungsnetzwerk oder eine andere Einrichtung einsetzen,
die ein asymmetrisches Signal, wie jenes, das durch ein Kabel mit
koaxialem Aufbau unterstützt
wird, zu einem symmetrischen Signal umwandelt. Wie hierin gebraucht,
umfasst der Begriff Balun jedwede Einrichtung, die ein asymmetrisches
elektrisches Signal zu einem symmetrischen Signal umwandelt. Ein
kompensierter Balun ist nützlich,
weil er die adäquate Bandbreite
besitzt, um sowohl bei einer niedrigeren als auch bei einer höheren Frequenz
zu arbeiten, und er gemeinsam mit einer kompensierenden Übertragungsleitung
die Impedanzanpassung für
eine Antenne über
ein Frequenzspektrum liefern kann.
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4 veranschaulicht
einen beispielhaften kompensierten Balun 500 und eine Übertragungsleitung 122,
welche im Symmetriemodus Anschlüsse eines
gespeisten Dualbandantennenelements und ein zweites gespeistes Dipolantennenelement
ansteuert. Kompensierte Baluns sind behandelt in G. Oltman: „The Compensated
Balun", IEEE Transactions
an Microwave Theory and Techniques, Band MTT-14, Nr. 3, März 1966,
S. 112–119.
Der Balun 500 umfasst einen sogenannten Shorting-Post 524,
eine Mikrostreifeneingangsleitung 506, koaxiale Leiter 502, 508 und 510 und
ferner einen Mikrostreifen-Kompensations-Stub 512. Die
Mikrostreifeneingangsleitung 506 umfasst Metallleiterbahnen 532 und 516,
die auf gegenüberliegende
Seiten einer dielektrischen Platte 504 gedruckt sind.
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Verschiedene
Verbindungsteile können
zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer koaxialen
Energiequelle und einem Mikrostreifen-basierten Balun verwendet
werden. In der beispielhaften Ausführungsform aus 4 umfasst
ein Teil 540 zur Verbindung einer koaxialen Energiequelle
und eines Mikrostreifens einen Stift 520, der den mittleren
Leiter eines (nicht dargestellten) koaxialen Kabels mit einem ersten
Ende 534 der gedruckten Metallleiterbahn 532 verbindet,
um den gespeisten Antennenelementen elektrische Energie zuzuführen. Ein
Verbindungsteilmantel 560 verbindet den äußeren Leiter
(Masse) eines koaxialen Kabels mit der gedruckten Masseleiterbahn 516 der
Mikrostreifeneingangsleitung 506. Geeignete Teile 540 zur
Verbindung von koaxialer Energiequelle und Mikrostreifen sind erhältlich bei
Applied Engineering Products, 104 J. W. Murphy Drive, New Haven,
CT 06513 USA.
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Die
Länge des
Baluns aus 4 beläuft sich auf annähernd 3,5
Inch bzw. 8,89 cm in einer Ausführungsform,
die für
den Einsatz in einer L-Band/UHF-Band-Rundstrahl-/Richtantenne bestimmt
ist. Es ist anzumerken, dass 4 keine maßstabgerechte
Darstellung bietet.
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Die
Masse 518 des Mikrostreifen-Kompensations-Stubs 512 ist
eine gedruckte Metallleiterbahn auf dem dielektrischen Substrat 514.
Die verhältnismäßig weit
voneinander getrennten Massen 516 und 518 bilden
eine symmetrische Übertragungsleitung mit
hoher Impedanz, die bei der mittleren Betriebsfrequenz des Baluns
annähernd
eine Viertelwellenlänge lang
ist. Ein Shorting-Post 524, geformt aus Kupfer oder einem
anderen leitenden Material, verbindet die Massen 516 und 518 elektrisch
und verkürzt
so die symmetrische Übertragungsleitung,
die durch die Massen 516 und 518 gebildet wird.
Diese kurzgeschlossene, symmetrische Übertragungsleitung, die eine
Viertelwellenlänge
lang ist, weist eine hohe Impedanz am offenen Ende auf, das durch
die leitenden Röhren 508 und 510 mit
den Antennenanschlüssen 330 und 332 verbunden
ist. Diese Bedingung hoher Impedanz minimiert Ströme im symmetrischen
Modus auf dieser Übertragungsleitung
nahe den Antennenanschlüssen
und zwingt so die Ströme
im symmetrischen Modus dazu, in die gespeisten Dipolelemente 108 und 136 und
die sich überkreuzende Übertragungsleitung 122 zu
fließen,
die durch die Leiterbahnen 304 und 306 gebildet
wird. Der Shorting-Post 524 ist aus einem elektrisch leitenden
Material gebildet und in einer beispielhaften Ausführungsform
eine Kupferöhre.
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Das
zweite Ende der Metallleiterbahn 532 der Mikrostreifeneingangsleitung 506 ist
mit einem Ende 542 einer leitenden Schraube 502 oder
einem anderen geeigneten leitenden Element elektrisch verbunden.
Ein weiteres Ende 546 der Schraube 502 ist mit
einem Kompensations-Stub 512 elektrisch
verbunden. Die Schraube 502 kann mittels einer Mutter 522 an
ihrem Platz gehalten werden. Die Mikrostreifenmasse 516 der
Mikrostreifeneingangsleitung 506 ist mit der einen Seite 548 einer
leitenden Röhre 508 verbunden.
Die andere Seite 550 der leitenden Röhre 508 ist mit dem
Anschluss 330 des Leiters 304 verbunden, welcher
Teil der symmetrischen Übertragungsleitung 122 ist.
Die Mikrostreifenmasse 518 ist mit der einen Seite 554 einer
zweiten leitenden Röhre 510 verbunden.
Die andere Seite 552 der zweiten leitenden Röhre 510 ist
mit dem Anschluss 332 des Leiters 306 verbunden,
der ein weiterer Teil der symmetrischen Übertragungsleitung 122 ist.
So formen die Leiter 304 und 306 eine sich überkreuzende
symmetrische Übertragungsleitung 122,
welche die (nicht gezeigten) Antennenelemente 108 und 136 verbindet.
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Die
leitenden Röhren 508 und 510,
die aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material geformt sind,
umgeben die leitende Schraube 502 und sind von der leitenden
Schraube 502 durch Luft oder ein anderes nichtleitendes
Material getrennt. Auch von den Mikrostreifenmassen 516 und 518 ist
die leitende Schraube 502 durch Luft oder ein anderes nichtleitendes
Material getrennt. Die Kombination aus Kupferröhren 508, 510 und
leitender Schraube 502 bildet zwei koaxiale Übertragungsleitungen,
welche die Mikrostreifeneingangsleitung 506 und den Mikrostreifen-Kompensations-Stub 512 mit
den Anschlüssen
des gespeisten Dualbandantennenelements und mit der symmetrischen Übertragungsleitung
verbinden.
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In
einer exemplarischen Ausführungsform besitzen
die Massen 516 und 518 eine Breite, die größer ist
als die Breite der Mikrostreifenleitungen 506 und 512.
Beispielsweise kann die Breite der Massen 516, 518 annähernd dreimal
so groß sein wie
die Breite der Mikrostreifenleitungen 506, 512.
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In
der beispielhaften Ausführungsform
aus 4 handelt es sich bei der Metallbeschichtung in Form
einer gedruckten Verdrahtung um eine Unze galvanisch aufgebrachtes
Kupfer. Die dielektrische Platte der Mikrostreifeneingangsleitung
besitzt eine Dicke von 0,030 Inch bzw. 0,0762 cm und eine dielektrische
Konstante von 3,0. Demgegenüber
ist die dielektrische Platte der Mikrostreifenkompensationsleitung
0,010 Inch bzw. 0,0254 cm dick und weist eine dielektrische Konstante
von 10,2 auf. Der Abstand zwischen den Mikrostreifenmassen 516 und 518, welche
die symmetrische Balunübertragungsleitung mit
hoher Impedanz bilden, beläuft
sich auf 0,3 Inch bzw. 0,762 cm. Das für den Shorting-Post 524 und die
leitenden Röhren 508, 510 verwendete
Kupferröhrenmaterial
besitzt einen Außendurchmesser
von 0,25 Inch bzw. 0,635 cm und einen Innendurchmesser von 0,19
Inch bzw. 0,4826 cm. Bei der Schraube 502 kann es sich
beispielsweise um eine Maschinenschraube mit Normnummer 2 handeln.
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Ein
wie die beispielhafte Ausführungsform aus 1 konstruierter
Yagi-Uda-Antennenarray mit einer Übertragungsleitung 122 und
einem Balun 500, veranschaulicht in 3A–3C und 4,
erbrachte positive Ergebnisse beim Abstrahlen im L- und im UHF-Band
in Reaktion auf Ansteuerung. Verfahren zur selektiven Frequenzimpedanzanpassung für das gespeiste
Dualbandelement 108 wurden durch Eingliederung von Widerständen 118 einbezogen,
deren Anordnung in den Frequenzselektivbereichen 112 des
gespeisten Dualbandelements 108 erfolgte. Die Widerstände 118 haben
die UHF-Strahlungseffizienz mäßig verringert
und die UHF-Eingangsimpedanz teilweise angepasst, während sie keinen
Einfluss auf die L-Band-Leistung
nahmen. Eine Impedanzanpassungsschaltung, welche in den Balun/die Übertragungsleitung
eingegliedert war, welche die Antenne speiste, lieferte sowohl bei
den UHF- als auch bei den L-Bandfrequenzen eine weitere Impedanzanpassung.
Ein Widerstand von 5 Ohm wurde in jede Hälfte des gespeisten Dipols
an den Bereichen 112 eingebracht (parallele Kombination aus
zwei 10-Ohm-Widerständen
an jeder Stelle). Eine serielle LC-Impedanzanpassungsschaltung wurde in
Serie mit der Mikrostreifeneingangsleitung nahe dem Eingangsverbindungsteil
eingefügt
und umfasste eine 100-Ohm-Mikrostreifenübertragungsleitung
mit einer Länge
von einem halben Inch (die Serieninduktivität) und einen Chipkondensator
mit 5,6 Picofarad. Die Antennenelemente wurden auf eine dielektrische
Platte gedruckt, die weniger als 6 Inch auf 7 Inch (15,24 cm auf
17.78 cm) maß.
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Die
gemessene Leistung dieser Antenne bezeugt volle Effizienz, moderaten
Gewinn, gutes Vor-Rück-Verhältnis und
ein Stehwellenverhältnis (VSWR),
das besser ist als 2:1 über
einen L-Bandfrequenzbereich von 35%. Des Weiteren erzielt die vorliegende
Erfindung nahezu Rundstrahlcharakteristikleistung und ein Stehwellenverhältnis, das
besser ist als 2:1 über
einen UHF-Frequenzbereich von 6%; diese Leistung in Bezug auf das
Stehwellenverhältnis wird
dadurch erreicht, dass lediglich in den Frequenzselektivbereichen 112 annähernd 2dB
dissipativen Verlusts bei den UHF-Frequenzen absichtlich hinzugefügt werden.
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5A und 5B veranschaulichen
die Strahlungscharakteristiken, die für diese Dipol-basierte Dualband-Richt-/Rundstrahl-Antenne
bei einer UHF-Frequenz von 450 MHz jeweils für Azimutschnitt (H-Ebene) und
Elevationsschnitt (E-Ebene) berechnet 580 und gemessen 590 wurden. 6A und 6B zeigen
die berechneten 680 und gemessenen 690 Strahlungscharakteristiken
bei einer L-Bandfrequenz von 1140 MHz. Die 0-Grad-Richtung in den
Azimutschnitten aus 5 und 6 entspricht der Vorwärtsrichtung X der Antennenarrays.
Wie aus 5A und 5B hervorgeht,
ist die Strahlungscharakteristik des niedrigeren UHF-Bands in Azimutrichtung
omnidirektional und in Höhenrichtung doppellappig,
was auch von einer herkömmlichen
Dipolantenne zu erwarten wäre.
Allerdings ist der Strahlungscharakteristik des höheren L-Bands
sowohl bei Azimut als auch bei Elevation eine signifikante Direktionalität zu entnehmen.
Abgesehen von den niedrigeren Vor-Rück-Verhältnissen
(annähernd 15
dB für
1020 und 1280 MHz sowie annähernd
10 dB für
980 und 1380 MHz) ähneln
die bei 980, 1020, 1280 und 1380 MHz gemessenen Strahlungscharakteristiken
jenen Strahlungscharakteristiken, die für 1140 MHz aufgeführt sind.
Zusätzlich
nehmen mit zunehmender Frequenz die Strahlbreiten ab und die Antennengewinne
zu, wie dies auch bei anderen Yagi-Uda-Antennen der Fall ist. In
jedem der veranschaulichten Azimutschnitte 5A und 6A tritt zwischen der
berechneten und der gemessenen Strahlungscharakteristik eine geringfügiges Maß an Verzerrung auf,
von der angenommen wird, dass sie auf das Vorhandensein eines kopolarisierten
Zuleitungskabels zurückzuführen ist
(für die
Elevationsschnitte wurde das Kabel kreuzpolarisiert).
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Wie
für Fachleute
auf diesem Gebiet eindeutig ersichtlich, sind die oben erläuterten
Antennenausführungsformen
auch in der Lage, simultan Strahlung bei verschiedenen Frequenzen
zu empfangen.
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Das
beispielhafte gespeiste Dualbandantennenelement 108 kann
in verschiedenen anderen Antennenkonfigurationen zum Einsatz kommen.
Es ist beispielsweise möglich,
die gespeisten Elemente 108 und 136 in einer modifizierten
Yagi-Uda-Konfiguration lediglich mit den Direktoren 132 und
ohne Reflektor wirkungsvoll einzusetzen. Alternativ dazu lassen
sich die gespeisten Elemente 108 und 136 effizient
mit nur einem Reflektor 134 und ohne Direktoren benutzen.
Zwar erzeugen diese Ausführungsformen einen
geringeren Gewinn, sind aber dafür
kompakter.
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Es
besteht die Möglichkeit,
das gespeiste Dualbandantennenelement 108 auch ohne ein
zweites gespeistes Element 136 in einem Yagi-Uda-Antennenarray
mit einem Direktor und einem Reflektor einzusetzen. Ferner lässt sich
das gespeiste Dualbandantennenelement 108 in einer modifizierten
Yagi-Uda-Konfiguration verwenden, z. B. mit nur einem Reflektor 134 und
ohne Direktoren. Diese Ausführungsformen
erzeugen einen geringeren Gewinn und weniger Bandbreite in der höheren Frequenz,
weisen aber nach wie vor Dualband-Richt-/Rundstrahlbetrieb auf.