DD216364B1

DD216364B1 - Symmetrier- und transformationsschaltung fuer kurze dipolantenne

Info

Publication number: DD216364B1
Application number: DD25244283A
Authority: DD
Inventors: Eugen Schmid; Hans-Joachim Faeseke
Original assignee: Eugen Schmid
Priority date: 1983-06-28
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1987-07-22
Also published as: DD216364A1

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Symmetrier- und Transformationsschaltung zu entwickeln, die ohne einstellbare Reaktanzen im Frequenzbereich breitbandig als Bindeglied zwischen Dipol und Antennenanpaßgerat funktioniert, ohne frequenzabhangige Widerstände in den Asten des Dipols Erfmdungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß in die Verbindung Wicklungsende der Sekundärwicklung und Masseanschluß eines zweiten Transformators eine Kapazität eingefugt ist und die zusammengeschalteten Wicklungsanfange dieses Transformators mit dem Eingang der Symmetrier- und Transformationsschaltung und das Wicklungsende der Primärwicklung dieses Transformators mit dem zweiten Dipolanschluß verbunden ist

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung soll an Hand eines Beispiels naher erläutert werden Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig 1 Dipolantenne

Fig 2 Impedanzverlauf von Z^K

Fig 3 Dipol mit idealem Transformator zur Symmetrierung

Fig 4 Transformator-Ersatzschaltung Tr 1 mit Dipolantenne

Fig 5 Kurvenverlauf der Streuinduktivitat und der Unsymmetrie

Fig 6 Transformatorschaltung Tr2 mit C₂

Fig 7 Verlauf der Streuinduktivitaten

Fig 8 vollständige erfindungsgemaße Schaltung

Fig 9 Einsatz der erfindungsgemaßen Schaltung in einer Anlage

Eine Dipolantenne mit den beiden Dipolasten D₁, D₂ der Lange I/2 im Abstand h über der Erde zeigt die Fig 1 Die Speisung der Anschlußpunkte 1 und 2 muß gegenphasig mit amphtudengleichen Spannungen Ui und U₂ erfolgen Zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 besteht die Impedanz 2Z<

Man kann sich auch den Dipol aus zwei in einer Achse liegenden Horizontalantennen vorstellen Jede Horizontaiantenne hat, bezogen auf die gedachte Symmetrieebene S_E, die Impedanz Z^< Der Verlauf der Impedanz Z^K ist in Fig 2 in Abhängigkeit von Ι/λ dargestellt Steht zur Speisung des Dipols nur die Spannung Ui zur Verfugung, kann diese auch zur Speisung des anderen Dipolastes dienen, wenn, wie bekannt, die Spannung Ui dem Anschlußpunkt 2 180°-phasenverschoben uberden ideal gedachtenTransformatorTri miteinerUbersetzung u = —1, siehe Fig 3, zugeführt wird Die Impedanz zwischen dem Anschlußpunkt 1 und dem Masseanschlußpunkt 3 betragt dann bekanntlich Z^</2 Diesen Verlauf zeigt die Fig 2 als gestrichelte Kurve

Denkt man sich den kurzen Dipol mit Hilfe eines symmetrischen Antennenanpaßgerates abgestimmt und 100W HF-Leistung zugeführt, wurden unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Antennenanpaßgerates in den Anschlußpunkten 1 und 2 bei Ι/λ = 0,05 Strome I₁, I₂ von ca 1,5A fließen Die Spannung Ui beziehungsweise U₂ betragt, da bei Ι/λ = 0,05 die Antennenimpedanz Z^K = 5Ω - j 1 0ΟΟΩ ist, siehe Fig 2, ca 1 500V Dementsprechend ist fur Ι/λ = 0,5,I₁ = I₂ = 1,3 A, U₁ = U₂ = 40V

Daraus geht hervor, daß der Transformator Tr 1 einen großen Impedanzbereich (5 - j 1 000 bis 30)Ω transformieren und mit Hochspannungsisolation ausgeführt sein muß Die Impedanz Z^< entspricht bei Ι/λ = 0,05 der Reihenschaltung einer Antennenkapazitat C_A = 10OpF und eines Antennenwiderstandes R_A = 5Ω Der Betrieb des Antennenanpaßgerates erfordert, daß sich bei Transformation mit einem realen Transformator Tr 1 mit U = -1 eine Impedanz zwischen dem Anschlußpunkt 1 und dem Masseanschlußpunkt 3 einstellt, die zwischen der gestrichelten Z^</2 und der ausgezogenen Z^<-Kurve liegt Das hat aber zur Folge, daß die Antennenkapazitat C_A auf der Primarseite wieder als Kapazität erscheinen muß Daraus folgt die Bedingung fur die Gegeninduktivitat M des Transformators Tr 1

(GM)

und gemäß Transformator Ersatzschaltung in Fig 4 L = M (Gl 2)

Aus Gl 1 und Gl 2 folgt L = M > 100μΗ

Weitere Bedingungen sind

Eigenresonanzen des Transformators Tr 1 im Bereich der Impedanztransformation fur 0,05 < Ι/λ < 0,5 zu vermeiden, indem die Wicklungslangen l_w < λιτιιη/8 lang sind

Um mit einer minimierten Wicklungslange l_wdie erforderliche Induktivität L > 100/i.H zu realisieren, ist außerdem gemäß

W² L (Gl 3)

der magnetische Widerstand R_m zu minimieren Möglichkeiten sind, den Luftweg der magnetischen Feldlinien zu verkurzen und die Austrittsflache aus dem Kernmaterial möglichst groß zu machen

Um eine Intermodulationsdampfung des Transformators Tr 1 d₃ > 4OdB zu erhalten, muß das verwendete Magnetkernmaterial niederpermeabel oder bei Einsatz von Ferrit durch Luftspalt geschert sein

In Figur 4 ist der Transformator Tr 1 zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 und dem Masseanschlußpunkt 3 als bekannte Ersatzschaltung des realen Transformators mit der Gegeninduktivitat M = L, Streuinduktivitat

U=I-T-DL (Gl 4)

in Reihenschaltung mit einem idealen Trafo mit einer Übersetzung

dargestellt

Damit die Speisung der Dipolaste D, und D₂ symmetrisch erfolgt, muß zwischen den Anschlußpunkten 1 und 4 eine Spule mit der Streuinduktivitat L₅ nach Gl 4 vorhanden sein Es wurde ermittelt, daß diese Symmetrier-und Transformationsschaltung nur bei tiefen Frequenzen die Unsymmetriebedingung

_{s =} jJ_L-U_±< U₂+U₄

erfüllt, siehe Si (ω) in Fig 5

Ursache ist die verteilte Wicklungskapazitat, die parallel zur Streuinduktivitat L₅ des Transformators eine physikalisch negativ wirkende Kapazität -Ci hervorruft, siehe Figur 4 Diese negative Kapazität verkleinert die Streuinduktivitat L_s gemäß der Gleichung

¹ ' ^{l Ls}; (Gl 6)

1 +Co²C₁L₅

mit steigender Frequenz In Figur 5 ist dieser Verlauf mit Streuinduktivitat L_s normiert dargestellt Bei Umpolung des Transformators auf semer Sekundarseite wirkt eine Kapazität in physikalisch positivem Sinne parallel zur Streuinduktivitat L_s, so daß sich der gestrichelte Verlauf in Figur 5 ergibt Diese U m pol u ng nutzt aber nichts, weil der Transformator dann O°und nicht die erforderliche 180° Phasendrehung hat

Man mußrr t dieser negativen Kapazität das Unsymmetneproblem losen An sich bewirkt die negative Kapazität einen gunstigen Effekt, weil sie die Streuinduktivitat L₃ mit steigender Frequenz verkleinert Damit die Unsymmetriebedingung (Gl 5) erfüllt ist, erfordert das auch die Parallelschaltung dieser negativen Kapazität parallel zur Spule zwischen den Anschlußpunkten 1 und 4 Das ist aber technisch unmöglich, weil es eben keine negative Kapazität gibt

Es wurde eine Schaltung gefunden, die zur Erfüllung der Unsymmetriebedingung den erforderlichen Reaktanzverlauf zwischen den Anschlußpunkten 1 und 4 approximiert Sie besteht aus einem zusätzlichen Transformator Tr2 und der Kapazität C₂ gemäß Figur 6 Bei gleichem Wickelsinn der Spulen sind die Wicklungsanfange mit einem Punkt markiert Die Anschlußpunkte 1, 4 und der Masseanschlußpunkt3smd identisch mit den Anschlüssen in Figur 4 Die Primannduktivitat liegt an den Anschlußpunkten 1 und 4, die Sekundarinduktivitat an den Anschlußpunkten 1 und 5 Primär- und Sekundarinduktivitat haben die Große der Streuinduktivitat L₅ des Transformators Tr 1, jedoch kann die Sekundarinduktivitat auch großer gewählt werden Beide Wicklungen sind über den Koppelfaktor k₂ magnetisch verkoppelt Zwischen dem Masseanschlußpunkt 3 und dem Anschlußpunkt 4 befindet sich gestrichelt ein gedachter Kurzschluß Die Induktivität Li, ⁴zwischen den Anschlußpunkten 1 und 4 der Schaltung nach Figur 6 hat die Große

(Cl 7)

UJO mit

' (Gl 8)

(Gl 9)

wobei ω_ο mittels C₂ wahl bar ist Die Gleichung 7 ist mit dem Koppelfaktor k₂ als Parameter in Figru 7 normiert mit L₅ dargestellt In Fig 7 ist auch der Verlauf der Streuinduktivitat L₃ (cu)/L_s (Gl 6) normiert mit f₀ = 14MHz und f_o = 12MHz ersichtlich Mit der Wahl des Koppelfaktors k₂ und ω₀ (bzw C₂) findet man eine Kurve, die die gestrichelt gezeichnete hinreichend gut approximiert, zum Beispiel die Kurven mit k₂ = 0,5 und f₀ = 12MHz

Wie auch die Praxis ergab, ist k₂ und f₀ nicht frei wahlbar Mit der Wahl von k₂ und f₀ ist außerdem der Amplitudenfrequenzgang der Leerlaufspannungen U_2iund U₄|(D·, und D₂ abgetrennt) hinreichend gut zu approximieren Die Betrage der Spannungen und die Phasenbedingung U₂ und U₄ lassen sich in der Praxis gut in Übereinstimmung bringen, so daß die Unsymmetriebedingung nach Gl 5 erfüllt ist Der noch vorhandene Rest der Unsymmetrie ist in Fig 5 als S₂ (ω) dargestellt Grundsätzlich ist die Dimensionierung auch fur einen anderen Frequenzbereich möglich Der zu erreichende Wirkungsgrad liegt zwischen 85% 95%

Fig 8 zeigt die komplette erfindungsgemaße Symmetrier- und Transformationsschaltung, Fig 9 das Blockschaltbild der Anordnung von Funksender FS, Antennenanpaßgerat AAG, Symmetrier- und Transformationsschaltung STS und Dipolantenne mit den beiden Dipolasten Di und D₂ Diese Dipolaste bestehen aus je zwei im Winkel von 60° angeordneten Drahten oder Stäben Die STS Beinhaltet die erfindungsgemaße Symmetrier- und Transformationsschaltung

Claims

Erfindungsanspruch'

1 Symmetner- und Transformationsschaltung fur kurze Dipolantennen, die an dem einen gegenüber dem anderen Dipolanschluß eine annähernd gleichgroße, 180° phasenverschobene Spannung, gegen Erde gemessen, erzeugt, und die einen unsymmetrischen Eingang aufweist mit einer Eingangsimpedanz halb so groß wie die Impedanz eines Dipolastes, bestehend aus zwei Transformatoren, die jeweils eine Primär- und eine Sekundärwicklung tragen, wobei die Wicklungsanfange der Primärwicklung des ersten Transormators und der Sekundärwicklung des zweiten Transformators zusammengeschaltet und deren Wicklungsenden mit einem Masseanschlußpunkt verbunden sind, wahrend der Wmklungsanfang der Sekundärwicklung des ersten Transformators mit diesem Masseanschlußpunkt und ihr Wicklungsende über einen zweiten Anschlußpunkt mit dem ersten Dipolanschluß verbunden ist und der Wicklungsanfang der Primärwicklung des zweiten Transformators mit dem ersten Anschlußpunkt der Symmetrier-und Transformationsschaltung und ihr Wicklungsende über einen dritten Anschlußpunkt mit dem zweiten Dipolanschluß verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß in die Verbindung Wicklungsende der Sekundärwicklung des zweiten Transformators (5) mit dem Masseanschlußpunkt (3) eine Kapazität (C2) eingefugt ist und die zusammengeschalteten Wicklungsanfange des zweiten Transformators und der Anfang der Pnnarwicklung des ersten Transformators im Anschlußpunkt (1) der Schaltung miteinander verbunden sind und das Wicklungsende der Primärwicklung des zweiten Transformators den Anschlußpunkt (4) bildet

2 Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem ersten und dem vierten Anschlußpunkt (1, 4) diefrequenzabhangige Streuinduktivitat (L_s) des ersten Transformators (Tr 1) annähernd vorhanden ist

3 Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Koppelfaktor (k₂) der beiden Wicklungen des Transformators (Tr2) ca 50% betragt

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet Anwendung beim Einsatz der kurzen Dipolantenne fur Funksender beziehungsweise deren Antennenanpaßgerate, die mit Stabantennen arbeiten

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Bekanntlich ist das Anpassen der erdsymmetrischen Dipolimpedanz an einen Funksender mit erdunsymmetrischem Ausgang mit Hochfrequenz-Breitbandtransformatoren möglich Diese erzeugen an dem einen Dipolanschluß gegenüber dem anderen gegen Erde gemessen eine um 180° phasenverschobene, gleichgroße Spannung und formen die symmetrische Dipolimpedanz in eine erdunsymmetnsche am Eingang des Breitbandtransformators um Gebrauchlich sind Losungen mit einem oder mit mehreren zusammengeschalteten Breitbandtransformatoren, s US-PS 3,428,886 Damit die Unsymmetrie der Dipolantenne und die Fehlanpassung am Eingang des Breitbandtransformators in zulassigen Grenzen bleiben, darf die Impedanz des Dipols nicht zu weit vom Wellenwiderstand der Wicklung des Breitbandtransformators entfernt sein Das erfordert das Auftrennen der Dipolaste an bestimmten Stellen und an diesen Trennstellen den Einbau von frequenzabhangigen Widerstanden, die die Anpassung an den Breitbandtransformator erzwingen Dadurch entstehen beträchtliche Verluste an Hochfrequenzleistung Diese reduzieren den Wirkungsgrad der Antenne besonders im unteren Frequenzbereich Außerdem bestehen die Nachteile des großen Platzbedarfs, Aufhangung des Dipols an zwei Masten und relativ hohe Montagekosten

Der erforderliche große Platzbedarf solcher Antennen laßt sich zum Beispiel in Wohngebieten nicht realisieren Daraus resultiert das Bedürfnis nach einer effektiven kleinen und leichten Dipolantenne, die von nur einem Mast getragen wird Leicht zu realisieren ist eine Dipollange mit maximal 10m beziehungsweise Ι/λ max < 0,05 Derartige Dipolantennen haben die Eigenschaft, im Frequenzbereich von 1,6 bis 12MHz stellstrahlend zu sein Eine Möglichkeit, eine kurze Dipolantenne von ca 10m Lange auf eine erdunsymmetnsche Impedanz Z = 50 Ohm mit einem Stehwellenverhältnis s < 3 an einen Funksender anzupassen, erfolgt derart, daß mit Hilfe eines Anpaßnetzwerkes, welches von Hand einstellbare Reaktanzen enthalt, fur mehrere Frequenzen die Anpassung mit Hilfe von Meßindikatoren gefunden wird Die mechanisch gespeicherten Einstellwerte werden bei Wahl dieser Frequenzen abgerufen (Programmbetrieb) Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß die Zugriffszeit zu anderen Frequenzen unerwünscht hoch ist

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine kurze Dipolantenne mit 0,05 < Ι/λ < 0,4 mit Hilfe eines vorhandenen Antennenanpaßgerates, welches zum automatischen Abstimmen unsymmetrischer Stabantennen im genannten Kurzwellen-Frequenzbereich geeignet ist, an einen Funksender anzupassen