DE102018010070A1

DE102018010070A1 - Einstellbare magnetische Antenne

Info

Publication number: DE102018010070A1
Application number: DE102018010070.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Finkenzeller; Jörg Wedemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-04-30
Also published as: DE202018006239U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetische Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen im Bereich einer Antennen-Resonanzfrequenz. Die magnetische Antenne umfasst hierbei eine erste offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem ersten Querschnitt und einer ersten Geometrie. Die beiden Enden der ersten Leiterschleife sind über einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität miteinander verbunden, so dass die erste Leiterschleife eine erste Resonanzfrequenz aufweist. Zusätzlich umfasst die magnetische Antenne eine Koppelanordnung, die die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen in die erste Leiterschleife einkoppelt bzw. aus der ersten Leiterschleife auskoppelt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einstellung der Antennen-Resonanzfrequenz einer derartigen magnetischen Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen.Erfindungsgemäß umfasst die magnetische Antenne eine zweite offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem zweiten Querschnitt und einer zweiten Geometrie, wobei die beiden Enden der zweiten Leiterschleife über einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität miteinander verbunden sind, so dass die zweite Leiterschleife eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei sich durch eine veränderbare induktive Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife die Antennen-Resonanzfrequenz verändert.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen im Bereich einer Antennen-Resonanzfrequenz. Die magnetische Antenne umfasst hierbei eine erste offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem ersten Querschnitt und einer ersten Geometrie. Die beiden Enden der ersten Leiterschleife sind über einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität miteinander verbunden, so dass die erste Leiterschleife eine erste Resonanzfrequenz aufweist. Zusätzlich umfasst die magnetische Antenne eine Koppelanordnung, die die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen in die erste Leiterschleife einkoppelt bzw. aus der ersten Leiterschleife auskoppelt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einstellung der Antennen-Resonanzfrequenz einer derartigen magnetischen Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen.
Eine gattungsgemäße magnetische Antenne, auch als „magnetic loop antenna“ bezeichnet, ist aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus „Rothammels Antennenbuch“ von A. Krischke, DARC-Verlag, 13.Auflage, oder aus „Praxisbuch Antennenbau“ von M. Rüegger, Funkamateur Verlag, 4. Auflage 2018, oder aus „Magnetic Loop Antenna“ von O. Burger und M. Dvorsky, B Plus TV Verlag, 1. Auflage 2015.
Die magnetische Antenne besteht aus einer offenen Leiterschleife (engl. loop), die eine Spule bildet, sowie einem Kondensator, der die offenen Enden der Leiterschleife miteinander verbindet und zusammen mit der Leiterschleife einen Schwingkreis bildet.
Aus dem Stand der Technik bekannte magnetische Antennen werden vorzugsweise im Frequenzbereich unter 30 MHz benutzt, da ihre wesentlich kleineren Abmessungen im Vergleich zu einem Dipol sie trotz des begrenzten Wirkungsgrades attraktiv erscheinen lassen. Empfangsseitig spielt der Wirkungsgrad in diesem Frequenzbereich keine große Rolle, weil die natürlichen Störungen in diesem Frequenzbereich zu Ausgangsspannungen führt, die weit über dem Empfängerrauschen liegen.
Aus dem Stand der Technik bekannte magnetische Antennen verwenden zur Einstellung und zum Abgleich der Resonanzfrequenz oder Betriebsfrequenz einen einstellbaren Kondensator, in der Regel einen Drehkondensator. Bedingt durch die hohe Güte Q der Antennen und die verwendeten Sendeleistungen im Bereich von einigen 10 Watt bis einigen 100 Watt, treten neben großen Strömen in der Leiterschleife auch sehr hohe Spannungen am Drehkondensator auf. Bei großen Sendeleistungen können hier leicht mehrere Hundert, im Extremfall sogar einige Tausend Volt Hochfrequenz-Spannung anliegen. Um keine Überschläge im Kondensator zu erhalten, müssen die Kondensatoren entsprechend spannungsfest konstruiert werden, was zu großen Plattenabständen (Abstände zwischen den Elektroden im Drehkondensator) und damit entsprechend großen Elektrodenflächen und somit aufwändigen und teuren Konstruktionen führt. Beispiele für derartige Drehkondensatoren sind bekannt aus:

www.dj4uf.de/antennen/magnetloop.html oder aus
www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_magloop.htm.

Aus DE 10258670 A1 ist ein Transponder zur berührungslosen Übertragung von Daten bekannt, der über eine elektronische Schaltung sowie eine magnetische Antenne verfügt. Diese magnetische Antenne weist dabei wenigstens zwei gemeinsam betreibbare Schwingkreise aus jeweils einer Spule auf, die voneinander galvanisch getrennt ausgebildet sind. Aufgabe der DE 10258670 A1 ist es, eine benötigte Durchkontaktierung (Windungskreuzung) bei Spulen mit zwei oder mehr Windungen auf dem Inlay eines kartenbasierten Trägers zu vermeiden. Die DE 10258670 A1 ersetzt dabei die benötigte Durchkontaktierung durch mindestens eine zusätzliche Spule.
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten magnetischen Antennen ist hierbei insbesondere, dass ein einstellbarer Kondensator ein teures sowie mechanisch und elektrotechnisch aufwändiges Bauteil ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße magnetische Antenne derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik behoben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß umfasst die magnetische Antenne eine zweite offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem zweiten Querschnitt und einer zweiten Geometrie, wobei die beiden Enden der zweiten Leiterschleife über einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität miteinander verbunden sind, so dass die zweite Leiterschleife eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei sich durch eine veränderbare induktive Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife die Antennen-Resonanzfrequenz verändert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst die magnetische Antenne eine zweite offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem zweiten Querschnitt und einer zweiten Geometrie, wobei die beiden Enden der zweiten Leiterschleife über einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität miteinander verbunden werden, so dass die zweite Leiterschleife eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Antennen-Resonanzfrequenz durch Verändern der induktiven Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife verändert wird.
Die induktive bzw. magnetische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife wird besonders bevorzugt dadurch verändert, dass der Abstand und/oder der Winkel und/oder der seitliche Versatz zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife verändert wird. Bei Veränderung des Abstandes zwischen den Leiterschleifen bleiben die Spulenachsen parallel zueinander angeordnet und wird der Abstand zwischen den Leiterschleifen entlang der Spulenachsen vergrößert oder verkleinert, ohne dass sich der Abstand zwischen den Spulenachsen ändert. Bei Veränderung des Winkels zwischen den Leiterschleifen wird der Winkel zwischen den Spulenachsen verändert. Hierbei können sich entweder die Leiterschleifen an einer ihrer Seiten nahezu berühren (ohne galvanische Kopplung) und der Winkel zwischen den Leiterschleifen verändert werden, so dass die Leiterschleifen „aufgeklappt“ werden und sich die Spulenachsen außerhalb der Ebenen der Leiterschleifen schneiden, oder können sich die Leiterschleifen an zwei gegenüberliegenden Seiten nahezu berühren (ohne galvanische Kopplung) und die Leiterschleifen ineinander verdreht werden, so dass sich die Spulenachsen innerhalb der Ebenen der Leiterschleifen schneiden. Bei Veränderung des Versatzes zwischen den Leiterschleifen werden die Leiterschleifen parallel bzw. koplanar zueinander verschoben, wobei sich der Abstand der Spulenachsen zueinander verändert. Selbstverständlich ist auch eine Mischung aller dieser Veränderungen möglich, beispielsweise indem der Abstand und gleichzeitig der Winkel zwischen den Leiterschleifen verändert wird.
Die erfindungsgemäße Loop Antenne besteht aus zwei oder mehr Leiterschleifen oder Spulen aus jeweils mindestens einer Windung. Eine galvanische oder elektrische Kopplung zwischen den Leiterschleifen ist nicht erforderlich. Die Änderung bzw. Einstellung der Antennen-Resonanzfrequenz erfolgt erfindungsgemäß über eine Veränderung der induktiven Kopplung zwischen den zwei oder mehr Leiterschleifen.
Die Enden der Leiterschleifen sind besonders bevorzugt über einen Kondensator mit fester Kapazität, einem sogenannten Festkondensator, verbunden, so dass die Leiterschleifen auf eine Resonanzfrequenz f₀ abgestimmt sind. Bei einer Leiterschleife, die aus einem Metallrohr besteht, beispielsweise einem Kupferrohr, kann der Kondensator auch dadurch gebildet werden, dass das eine Ende des Metallrohrs verjüngt wird und in das anderen Ende des Metallrohrs gesteckt wird. Der Kondensator wird hierbei durch den kapazitiven bzw. dielektrischen Spalt zwischen den beiden ineinandergesteckten Rohren gebildet. Alternativ können die beiden Enden des Metallrohrs auch flachgepresst und übereinander angeordnet werden, so dass sie einen Plattenkondensator bilden.
Mindestens eine der Leiterschleifen wird mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Einkopplungsanordnung versehen, an die das Sende- und/ oder Empfangsgerät (Transceiver) angeschlossen werden kann. Eine derartige Einkopplungsanordnung ist beispielsweise eine Einkoppelschleife (engl. coupling loop) mit induktiver oder kapazitativer Einkopplung oder Einkopplung über einen Ferrit-Ring oder eine galvanische Einkopplung über ein Gamma-Match.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist bevorzugt mit einer mechanischen Vorrichtung versehen, die den Abstand und/oder den Winkel und/oder den seitlichen Versatz zwischen der ersten und der zweiten und gegebenenfalls weiteren Leiterschleifen und damit die induktive Kopplung zwischen der ersten, der zweiten und weiteren Leiterschleifen verändert. Beispielsweise können die Leiterschleifen verschiebbar auf einer Schiene angeordnet sein und wird über einen Schrittmotor der Abstand zwischen den Leiterschleifen verändert. Alternativ kann eine Leiterschleife drehbar angeordnet sein und wird über einen Schrittmotor der Winkel zwischen den Leiterschleifen bzw. deren Spulenachsen verändert.
Bedingt durch die Induktivität der Leiterschleife, durch den Kondensator und durch parasitäre Kapazitäten zwischen den Leitersegmenten bildet eine Leiterschleife einen elektrischen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz f₀ aus. Des Weiteren wirkt eine solche Leiterschleife auch als Antenne für das magnetische Feld elektromagnetischer Strahlung, mit einem maximalen Wirkungsgrad bei ihrer Resonanzfrequenz f₀ .
Werden zwei oder mehr Leiterschleifen benachbart zueinander angeordnet, werden die Leiterschleifen induktiv miteinander gekoppelt und (mindestens teilweise) von dem gleichen magnetischen Feld durchflossen. Es entsteht eine induktive Gegenkopplung mit einem Kopplungsfaktor k, der Werte von 0 bzw. 0% (d.h. 0% der magnetischen Feldlinien werden in der jeweils anderen Leiterschleife wirksam) bei keiner Kopplung bis 1 bzw. 100% (d.h. 100% der magnetischen Feldlinien werden in der jeweils anderen Leiterschleife wirksam) bei vollständiger Kopplung aufweisen kann. Sind beispielsweise zwei Leiterschleifen gleicher Geometrie und Größe auf einer gemeinsamen Spulenachse in einem möglichst geringem Abstand zueinander montiert, bevorzugt ohne dass eine galvanische Verbindung zwischen beiden Leiterschleifen entsteht, liegt nahezu vollständige Kopplung vor und erreicht der Kopplungsfaktor k den Wert 1 bzw. 100%. Eine vollständige Kopplung ist theoretisch nur bei vollständig ineinander liegenden und exakt gleichen Leiterschleifen möglich, was jedoch in der Praxis nur unvollkommen bzw. nicht realisiert werden kann. Deshalb ist mit Leiterschleifen ein Kopplungsfaktor k von 1 bzw. 100% in der Praxis nicht erreichbar.
Ein Kopplungsfaktor von k = 0 bzw. 0% kann erreicht werden, wenn sich die magnetischen Feldlinien aller Leiterschleifen zumindest im Nahfeld nicht treffen oder parallel zur Ebene der jeweils anderen Leiterschleifen verlaufen oder sich gegenseitig aufheben. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Leiterschleifen im Fernfeld der jeweils anderen Leiterschleifenangeordnet sind oder die Leiterschleifen ineinander angeordnet sind und um 90° verdreht sind, wobei sich die Spulenachsen innerhalb der Ebenen der Leiterschleifen schneiden, oder einen derartigen seitlichen Versatz zueinander aufweisen, dass sich die Magnetfeldlinien gegenseitig auslöschen. Die zuletzt genannte gegenseitige Auslöschung durch seitlichen Versatz ist beispielsweise bekannt aus der WO 2013/034293 A1 . In dieser Schrift wird der Kopplungsfaktor k = 0 als „orthogonale“ Anordnung von zwei Spulen zueinander bezeichnet. Beispielsweise wird zu 4 der WO 2013/034293 A1 ausgeführt, dass eine „orthogonale“ Anordnung zwischen zwei Spulen bzw. Leiterschleifen vorliegt, wenn das Ringintegral über den magnetischen Fluss Φ gleich Null ist. Das Integral über den magnetischen Fluss Φ ist genau dann Null, wenn sich magnetische Feldlinien unterschiedlicher Richtung und Feldstärke in einer Leiterschleife über die Gesamtfläche gegenseitig aufheben, oder wenn der Winkel der Feldlinien zur Spulenachse genau 90° beträgt.
In der vorliegenden Erfindung werden durch Verändern der induktiven bzw. magnetischen Kopplung zwischen den Leiterschleifen üblicherweise Werte der Kopplung im Bereich von k = 0,5 bis k = 1 erreicht. Ein Wert von k < 0,5 wird üblicherweise durch Verändern des Abstands und/ oder Winkels zwischen den Leiterschleifen nicht erreicht. Durch Änderung des seitlichen Versatzes zwischen den Leiterschleifen kann jedoch mit einfachen Mitteln ein Wert von k < 0,5, insbesondere sogar von k = 0 erreicht werden, wie in der WO 2013/034293 A1 beschrieben.
Durch die induktive Kopplung zwischen den Leiterschleifen entsteht eine transformatorische Kopplung. Der Stromfluss in jeder der Leiterschleifen erzeugt eine transformierte Impedanz Z_T in der jeweils anderen Leiterschleife.
Die Größe der Impedanz Z_T und damit die Frequenzverstimmung der erfindungsgemäßen Antenne hängt von der induktiven bzw. magnetische Kopplung zwischen den Leiterschleifen ab. Durch Ändern der magnetischen Kopplung können dabei die Resonanzfrequenzen der gesamten magnetischen Antenne eingestellt werden.
Zunächst wird der Fall betrachtet, dass eine erfindungsgemäße magnetische Antenne aus zwei gleich großen Leiterschleifen besteht, die beide auf die gleiche Resonanzfrequenz ω₀ abgestimmt sind. Die magnetische Antenne weist damit zwei Resonanzfrequenzen ω₁ und ω₂ auf, mit: $ω_{1} = \frac{1}{\sqrt{(L + L_{m}) \cdot C}}$
und $ω_{2} = \frac{1}{\sqrt{(L - L_{m}) \cdot C}}$
mit:

L = Induktivität der einzelnen Leiterschleifen
C = Kapazität der einzelnen Leiterschleifen
L_M = Gegeninduktivität zwischen den beiden Leiterschleifen, wobei
L_M = L · k

Ohne Kopplung zwischen den beiden Leiterschleifen (also k = 0) ist L_M = 0, so dass ω₁ und ω₂ gleich groß sind: $ω_{1} = ω_{2} = \frac{1}{\sqrt{L \cdot C}}$
Damit hat die erfindungsgemäße magnetische Antenne bei k = 0 nur eine Resonanzfrequenz.
Bei vollständiger Kopplung zwischen den beiden Leiterschleifen (also k = 1) ist L_M = L, so dass sich ergibt: $ω_{1} = \frac{1}{\sqrt{2 \cdot L \cdot C}} = \frac{1}{\sqrt{2} \sqrt{L \cdot C}}$
und $ω_{2} \to \infty$
Damit hat die erfindungsgemäße magnetische Antenne bei k = 1 theoretisch nur eine Resonanzfrequenz ω₁ , die um den Faktor $1 / \sqrt{2}$
kleiner ist, als die Resonanzfrequenz ω₁ bei k = 0, da die zweite Resonanzfrequenz ω₂ wegen 1/0 gegen unendlich strebt. In der Praxis jedoch strebt ω₂ nicht gegen unendlich, da aufgrund der eng beieinanderliegenden Leiterschleifen eine parasitäre kapazitative Gegenkopplung C_m zwischen den Leiterschleifen auftritt. Diese kapazitative Gegenkopplung C_m wirkt der Frequenzverstimmung entgegen. Damit ergibt sich für die beiden Resonanzfrequenzen ω₁ und ω₂ : $ω_{1} = \frac{1}{\sqrt{(L + L_{m}) \cdot (C - C_{m})}}$
und $ω_{2} = \frac{1}{\sqrt{(L - L_{m}) \cdot (C + C_{m})}}$
mit

C_m = kapazitative Gegenkopplung (engl. mutual capacity)

Bei einer Kopplung zwischen den beiden Leiterschleifen mit einem Wert von k zwischen 0 und 1 hat die magnetische Antenne also die beiden Resonanzfrequenzen ω₁ und ω₂ , die allerdings erst bei dem Übergang von kritischer Kopplung zu überkritischer Kopplung, typischerweise bei k > 0,05, getrennt voneinander unterscheidbar sind.
Des Weiteren schwingen die elektrischen Ströme in den beiden Leiterschleifen bei Anregung mit der Frequenz ω₁ im Gleichtakt und bei ω₂ im Gegentakt zueinander. Bei Anregung mit der zweiten Resonanzfrequenz ω₂ strahlt die Antenne nicht oder nur unwesentlich Energie ab bzw. empfängt keine oder kaum Signale, da sich die magnetischen Felder der einzelnen Leiterschleifen durch die im Gegentakt schwingenden Ströme gegenseitig weitestgehend auslöschen.
Es ergibt sich also, dass die erste Resonanzfrequenz ω₁ einer erfindungsgemäße magnetische Antenne, die aus zwei Leiterschleifen mit gleicher Resonanzfrequenz ω₀ besteht, durch Änderung der Kopplung maximal um den Faktor
verstimmt bzw. abgestimmt werden kann. Bei einer Anzahl von N Leiterschleifen ergibt sich ein Abstimmbereich von $1 / \sqrt{N} .$
Beispielsweise sind beide Leiterschleifen quadratisch geformt mit einer Seitenlänge von 1 Meter. Die Enden beider Leiterschleifen sind jeweils mit einer Kapazität von 23 pF verbunden. Bei nahezu vollständiger Kopplung (beide Leiterschleifen sind mit einem Winkel von 0° und damit parallel zueinander und mit einem Abstand von 3,5 cm nahezu direkt aneinander angeordnet) ergeben sich die Resonanzfrequenz f₁ und f₂ der Antenne zu: $f_{1} = \frac{ω_{1}}{2 π} = 14,13 {MHz und f}_{2} = \frac{ω_{2}}{2 π} = 28 MHz$
Wird die Kopplung etwas verringert, indem die beiden Leiterschleifen um 10° aufgeklappt werden, beträgt also der Winkel zwischen den beiden Leiterschleifen 10° wobei sich die Leiterschleifen an ihrer unteren Seite nahezu berühren, erhöht sich die Resonanzfrequenz f₁ auf 14,68 MHz und verringert sich die zweite Resonanzfrequenz f₂ auf 25,4 MHz. Die für den Empfang oder die Ausstrahlung der magnetischen Antenne relevante Resonanzfrequenz f₁ wird also durch Aufklappen der Leiterschleifen von 0° auf 10° um 0,55 MHz erhöht.
Sind die Leiterschleifen sind mit einem Winkel von α = 0° zueinander und mit einem Abstand von 3,5 cm nahezu direkt aneinander angeordnet und wird die Kopplung zwischen den Leiterschleifen durch Vergrößerung des Winkels zwischen den Leiterschleifen reduziert, tritt zu Beginn der Vergrößerung des Winkels eine besonders große Änderung des Koppelfaktors auf. Die erfindungsgemäße magnetische Antenne reagiert also zu Beginn der Veränderung des Winkels besonders empfindlich auf die Winkeländerung. Besonders bevorzugt werden deshalb die Leiterschleifen zunächst in einem größeren Abstand, beispielsweise 15 cm, voneinander angeordnet und erst dort der Winkel zwischen den Leiterschleifen durch „Abklappen“ geändert. Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch die Vergrößerung des Abstandes zwischen den Leiterschleifen auch die Kopplung zwischen den Leiterschleifen reduziert ist und die erfindungsgemäße magnetische Antenne nicht mehr so empfindlich auf die Winkeländerung reagiert, wie bei einem kleineren Abstand.
Alternativ kann die erfindungsgemäße magnetische Antenne aus zwei Leiterschleifen bestehen, die auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt sind. Die erste Leiterschleife ist hierbei auf die Resonanzfrequenz ω₀₁ und die zweite Leiterschleife auf die Resonanzfrequenz ω₀₂ ≠ ω₀₁ abgestimmt. Ohne Kopplung zwischen den beiden Leiterschleifen (also k = 0) sind in diesem Fall die resultierenden Resonanzfrequenzen der einzelnen (ungekoppelten) Leiterschleifen unterschiedlich groß. Die Abstimmung der Leiterschleifen auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen wird besonders bevorzugt dadurch erreicht, dass die Enden der beiden Leiterschleifen mit Kondensatoren mit unterschiedlicher Kapazität verbunden sind.
Besonders bevorzugt kann durch Hinzuschalten oder Abschalten einer zusätzlichen Kapazität zwischen den Enden einer Leiterschleife auch eine Umschaltung des Frequenzbereichs der magnetischen Antenne erfolgen. Beispielsweise sind die Enden von zwei Leiterschleife n mit gleicher Geometrie zunächst jeweils mit Kondensatoren mit der gleichen Kapazität verbunden, so dass die Antenne eine bestimmte erste Resonanzfrequenz aufweist. Wird nun an den Enden der ersten Leiterschleife eine weiterer Kondensator hinzugeschaltet, ändert sich diese erste Resonanzfrequenz und damit der Frequenzbereich der Antenne.
Beispielsweise sind beide Leiterschleifen quadratisch geformt mit einer Seitenlänge von 1 Meter. Die Enden der ersten Leiterschleife sind mit einer Kapazität von 165 pF und die Enden der zweiten ersten Leiterschleife sind mit einer Kapazität von 23 pF miteinander verbunden. Bei nahezu vollständiger Kopplung (beide Leiterschleifen sind mit einem Winkel von 0° und damit parallel zueinander und mit einem Abstand von 3,5 cm nahezu direkt aneinander angeordnet) ergeben sich die Resonanzfrequenz f₁ und f₂ der Antenne zu: $f_{1} = \frac{ω_{1}}{2 π} = 7,073 MHz und f_{2} = \frac{ω_{2}}{2 π} = 24,5 MHz$
Wird die Kopplung etwas verringert, indem die beiden Leiterschleifen um 10° aufgeklappt werden, beträgt also der Winkel zwischen den beiden Leiterschleifen 10° wobei sich die Leiterschleifen an ihrer unteren Seite nahezu berühren, erhöht sich die Resonanzfrequenz f₁ auf 7,178 MHz und verringert sich die zweite Resonanzfrequenz f₂ auf 23,4 MHz. Die für den Empfang oder die Ausstrahlung der magnetischen Antenne relevante Resonanzfrequenz f₁ wird also durch Aufklappen der Leiterschleifen von 0° auf 10° um 0,105 MHz erhöht.
Wird also bei der im Beispiel zuvor beschriebenen magnetischen Antenne, bei der die Enden beider Leiterschleifen sind jeweils mit einer Kapazität von 23 pF verbunden sind, die Kapazität der ersten Leiterschleife um 142 pF auf 165 pF erhöht, verringert sich bei k ≈ 1 die erste Resonanzfrequenz von 14,13 MHz auf 7,073 MHz. Durch Zuschalten einer Kapazität von 142 pF an den Enden der ersten Leiterschleife kann die erfindungsgemäße magnetische Antenne somit im Kurzwellenbereich vom 20-Meter-Band in das 40-Meter-Band umgeschaltet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine der Leiterschleifen aus einem Koaxialkabel gebildet wird. Hierdurch wird bevorzugt die benötigte Kapazität eines Festkondensators an den Enden der offenen Leiterschleife verringert. Der Schirm des einen Endes des Kabels wird dabei mit dem Mittelleiter des anderen Endes verbunden, so dass die Kapazität des Koaxialkabels als zusätzliche parasitäre Kapazität in das System eingebracht wird. Der jeweils andere Mittelleiter oder Schirm wird mit einem Kondensator mit fester Kapazität verbunden, um die gewünschte Resonanzfrequenz einzustellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine der Leiterschleifen aus einem metallischen Rohr gebildet wird, beispielsweise aus einem Kupferrohr. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Leiterschleife mechanisch stabil ausgebildet ist und somit die Leiterschleife zur Erhaltung ihrer Geometrie nicht zusätzlich auf einem Träger bzw. Brett montiert werden muss.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens einer der Kondensatoren aus einem einseitig offenen Koaxialkabel besteht. Der Festkondensator wird also durch ein kurzes Stück Koaxialkabel gebildet, wobei Abschirmung und Innenleiter jeweils eine Elektrode bilden. Koaxialkabel weisen eine vom Wellenwiderstand abhängige, definierte Kapazität pro Meter auf und sind zudem sehr spannungsfest. Ein 50 Ω Koaxialkabel besitzt bekanntlich eine Kapazität von 101 pF/m, ein 75 Ω Kabel eine Kapazität von 67 pF/m. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von Koaxialkabeln besteht darin, dass ein Koaxialkabel im Inneren einer rohrartig geformten Leiterschleife integriert bzw. in das Rohr geschoben werden und mit den Enden der Leiterschleife verbunden werden kann.
Ein weiterer Vorteil des Kondensator aus einem Koaxialkabel besteht darin, dass sich durch Kürzen des Kabels die Kapazität verändern und damit die Resonanzfrequenz der Leiterschleife und damit der erfindungsgemäßen Antenne tunen lässt. Bei einem Keramikkondensator mit fester Kapazität besteht diese Möglichkeit nicht, da hierbei die Leiterschleife entsprechend angepasst werden müsste, was natürlich aufwändiger ist.
Als Festkondensator kann beispielsweise auch ein Keramikkondensator verwendet werden, den es auch in einer Hochspannungsausführung gibt. Hierbei muss jedoch die Kapazität des Kondensator vorher bekannt sein bzw. berechnet werden, da ein nachträgliches Verändern der Kapazität nicht möglich ist. Selbstverständlich ist auch eine Kombination (Parallel- oder Reihenschaltung) aus einem Kondensator aus einem Koaxialkabel mit einem Keramikkondensator oder einem anderen Kondensator möglich, wobei der Kondensator aus dem Koaxialkabel durch Kürzen des Koaxialkabels zur Anpassung der Gesamtkapazität verwendet werden kann.
Alternativ ist es auch möglich, dass die beiden Enden der ersten und/oder zweiten Leiterschleife offen bleiben und nicht mit einem Kondensator verbunden werden. Hierbei bilden lediglich die parasitären Kapazitäten der Leiterschleife und gegebenenfalls deren beiden offenen Enden selbst den Kondensator der magnetischen Antenne, der damit eine Kapazität von wenigen Pikofarad aufweist. Beispielsweise sind die beiden Enden einer ersten quadratischen Leiterschleife mit einer Seitenlänge von 1 Meter über einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität von 40 pF miteinander verbunden und bleiben die beiden Enden der zweiten ebenfalls quadratischen Leiterschleife mit einer Seitenlänge von 1 Meter offen. Die Leiterschleife mit den offenen Enden hat dabei eine parasitäre Kapazität von etwa 3,5 pF. Bei einer maximalen Kopplung k = 1 ergibt sich für die Antenne eine erste Resonanzfrequenz bei 14,13 MHz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite bzw. jede weitere offene Leiterschleife den gleichen Querschnitt bzw. die gleiche Querschnittsfläche und die gleiche Geometrie (beispielsweise dreieckig, viereckig, achteckig, in Form eines beliebigen Polygons, symmetrisch oder unsymmetrisch, oval oder rund) wie die erste offene Leiterschleife aufweist und der zweite bzw. jeder weitere Kondensator die gleiche Kapazität aufweist wie der erste Kondensator. Damit sind alle Leiterschleifen auf die gleiche Resonanzfrequenz f₀ eingestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite bzw. jede weitere offene Leiterschleife einen unterschiedlichen Querschnitt und/ oder eine unterschiedlichen Geometrie (Form siehe oben) wie die erste offene Leiterschleife aufweist. Wenn Querschnitt und/oder Geometrie der Leiterschleifen unterschiedlich sind, sind natürlich auch die Kapazität der jeweiligen Festkondensatoren unterschiedlich. Der Festkondensator der zweiten offenen Leiterschleife weist dabei eine derartige Kapazität auf, dass die Resonanzfrequenz der zweiten Leiterschleife gleich der Resonanzfrequenz der ersten Leiterschleife ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die magnetische Antenne mindestens eine weitere offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem weiteren Querschnitt und einer weiteren Geometrie umfasst, wobei die beiden Enden der weiteren Leiterschleife über einen weiteren Kondensator mit einer weiteren Kapazität miteinander verbunden sind, so dass die weitere Leiterschleife eine weitere Resonanzfrequenz aufweist. Beispielsweise besteht die magnetische Antenne aus drei oder mehr offenen Leiterschleifen, die alle miteinander koppeln und sich gegenseitig beeinflussen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Abstimmbereich größer wird, bei einer Anzahl von N Leiterschleifen ergibt sich ein Abstimmbereich von $1 / \sqrt{N} .$
Die mechanische Vorrichtung kann hierbei den Abstand und/oder den Winkel und/oder den seitlichen Versatz zwischen der ersten und der zweiten und der/den weiteren Leiterschleife/ n verändern. Besonders bevorzugt ist Resonanzfrequenz f₀ der weiteren Leiterschleife/n gleich der ersten und zweiten Resonanzfrequenz.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die magnetische Antenne mindestens eine weitere Koppelanordnung umfasst, wobei die weitere Koppelanordnung mindestens einen Teil der zu sendenden oder der empfangenen Energie der elektromagnetischen Wellen in die zweite offene Leiterschleife oder die mindestens eine weitere offene Leiterschleife einkoppelt bzw. aus der zweiten offenen Leiterschleife oder der mindestens einen weiteren offenen Leiterschleife auskoppelt. Die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen wird hierbei also nicht nur in eine einzige Leiterschleife eingekoppelt, sondern in mehrere oder sogar alle Leiterschleifen der erfindungsgemäßen magnetischen Antenne. Dabei wird die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen bevorzugt über aus dem Stand der Technik bekannte Leistungsteiler oder Leistungskombinierer aufgeteilt bzw. kombiniert und in die jeweilige Leiterschleife eingekoppelt bzw. aus dieser ausgekoppelt. Besonders bevorzugt erfolgt die Aufteilung oder Kombination der zu sendenden oder der empfangenen Energie der elektromagnetischen Wellen durch ein T-Stück, wenn jeweils zwei Leiterschleifen an 100 Ohm angepasst werden (Parallelschaltung).
Die erfindungsgemäße magnetische Antenne ist besonders bevorzugt für den internationalen und interkontinentalen Funkverkehr auf Kurzwelle ausgelegt. Es ergeben sich Baugrößen mit einem Durchmesser der Leiterschleifen von typisch 1 m bis 3 m und Leiterquerschnitten von typisch 1 cm bis 3 cm.
Die Erfindung löst somit besonders vorteilhaft die Aufgabe, den für aus dem Stand der Technik benötigte magnetische Antennen erforderlichen Drehkondensator bei einem Frequenzabgleich der magnetischen Antenne zu eliminieren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, soweit dies von dem Schutzumfang der Ansprüche erfasst ist.
Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und der ergänzenden Figuren werden die Vorteile der Erfindung erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, auf die jedoch die Erfindung in keinerlei Weise beschränkt sein soll. Des Weiteren sind die Darstellungen in den Figuren des besseren Verständnisses wegen stark schematisiert und spiegeln nicht die realen Gegebenheiten wider. Insbesondere entsprechen die in den Figuren gezeigten Proportionen nicht den in der Realität vorliegenden Verhältnissen und dienen ausschließlich zur Verbesserung der Anschaulichkeit. Des Weiteren sind die in den folgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Ausführungsformen der besseren Verständlichkeit wegen auf die wesentlichen Kerninformationen reduziert. Bei der praktischen Umsetzung können wesentlich komplexere Muster oder Bilder zur Anwendung kommen.
Im Einzelnen zeigen schematisch:

1 in seitlicher Ansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte magnetische Antenne,
2 in schräger seitlicher Ansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Antenne,
3 in schräger seitlicher Ansicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Antenne,
4 eine erfindungsgemäße magnetische Antenne mit zwei Leiterschleifen, die die gleiche Geometrie aufweisen und deren Enden mit der gleichen Kapazität verbunden sind und hierbei in 4a das Stehwellenverhältnis (SWR) am Speisepunkt der Antenne gemessen als Funktion der Frequenz f, in 4b und 4c in Schrägansicht den Gewinn im Fernfeld und in 4d den Gewinn im Fernfeld als Kreisdiagramm,
5 eine erfindungsgemäße magnetische Antenne mit zwei Leiterschleifen, die die gleiche Geometrie aufweisen und deren Enden mit unterschiedlichen Kapazitäten verbunden sind und hierbei in 5a das Stehwellenverhältnis (SWR) am Speisepunkt der Antenne gemessen als Funktion der Frequenz f, in 5b in Schrägansicht den Gewinn im Fernfeld und in 5c den Gewinn im Fernfeld als Kreisdiagramm,
6 in 6a in seitlicher Ansicht eine Verwendung von zwei Koaxialkabeln als Festkondensator einer Leiterschleife einer magnetischen Antenne und in 6b ein einzelnes derartiges Koaxialkabel,
7 in seitlicher Ansicht eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Antenne,
8 in seitlicher Ansicht eine Ausführungsform für eine mechanische Vorrichtung, die den Abstand zwischen drei Leiterschleifen voneinander gleichmäßig verändert.

1 zeigt schematisch in seitlicher Ansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte magnetische Antenne, die aus einer kreisförmig ausgestalteten offenen Leiterschleife 1 mit zwei Enden und besteht, wobei die beiden Enden der ersten Leiterschleife über einen Kondensator 2 mit einer einstellbaren Kapazität miteinander verbunden sind. Eine Koppelanordnung 4 koppelt die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen in die Leiterschleife 1 ein bzw. aus der Leiterschleife 1 aus. Die Koppelanordnung 4 besteht hierbei aus einer Leiterschleife 3, die einen kleineren Durchmesser als die Leiterschleife 1 aufweist und an ein Koaxialkabel 5 angeschlossen ist. Das Koaxialkabel 5 besteht aus einem Innenleiter 8 und einem Außenleiter oder Abschirmung 6, zwischen denen ein Isolator oder Dielektrikum 7 angeordnet ist. Der Innenleiter 8 ist mit dem einen Ende der Leiterschleife 3 und der Außenleiter 6 mit dem anderen Ende der Leiterschleife 3 des Koaxialkabels 5 verbunden, wobei an das gegenüberliegende Ende des Koaxialkabels 5 wiederum ein Sende-/ Empfangsgerät bzw. Transceiver 9 angeschlossen ist, das die zu sendende Energie der elektromagnetischen Wellen bereitstellt oder die empfangene Energie auswertet.
2 zeigt schematisch in schräger seitlicher Ansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Antenne. Diese erfindungsgemäße magnetische Antenne besteht zunächst aus der in 1 dargestellten magnetischen Antenne, wobei jedoch der Kondensator 2 mit einer einstellbaren Kapazität durch einen Kondensator 10 mit fester Kapazität (Festkondensator) ersetzt wird. Die Leiterschleife 1 bildet hierbei die erste offene Leiterschleife. Zusätzlich weist die magnetische Antenne eine zweite offene Leiterschleife 11 auf, deren beiden Enden über ein zweiten Kondensator 12 mit einer zweiten Kapazität miteinander verbunden sind. Die Resonanzfrequenz dieser magnetischen Antenne wird gemäß 2 dadurch geändert, dass die zweite Leiterschleife 11 in Bezug auf die erste Leiterschleife 1 in x- Richtung, y- Richtung oder z-Richtung oder einer Kombination aus diesen drei Richtungen verschoben wird, wodurch sich die magnetische Kopplung zwischen beiden Leiterschleife 1 und 11 ändert.
Bei einer Verschiebung in x-Richtung bleiben die Spulenachsen, die senkrecht auf der Ebene der Spulenflächen stehen, parallel zueinander angeordnet und wird der Abstand zwischen den Leiterschleifen entlang der Spulenachsen vergrößert oder verkleinert, ohne dass sich der Abstand zwischen den Spulenachsen ändert. Diese Verschiebung kann beispielsweise um einen Abstand α erfolgen, wobei sich durch eine Vergrößerung des Abstands a die magnetische Kopplung verringert. Bei Verringerung des Abstands a erhöht sich die magnetische Kopplung. Durch eine Verschiebung in y- oder z-Richtung erfolgt eine Veränderung des Versatzes zwischen den Leiterschleifen. Hierdurch werden die Leiterschleifen parallel bzw. koplanar zueinander verschoben, wobei sich der Abstand zwischen den Spulenachsen verändert.
Gemäß 3 kann die magnetische Kopplung zwischen beiden Leiterschleife 1 und 11 und damit die Resonanzfrequenz der magnetischen Antenne auch durch Verkippen der zweiten Leiterschleife 11 um einen Winkel α gegenüber der ersten Leiterschleife 1 verändert werden, wobei sich durch eine Vergrößerung des Winkels α die Resonanzfrequenz der magnetischen Antenne erhöht. Bei Verringerung des Winkels α vermindert sich die Resonanzfrequenz ω₁ der magnetischen Antenne.
3 zeigt ein Verkippen der zweiten Leiterschleife 11 um die y-Achse. Selbstverständlich ist auch ein Verkippen oder Verdrehen um die x-Achse oder z-Achse oder eine Kombination daraus möglich. Des Weiteren ist auch eine Kombination der Verschiebung aus 2 und dem Verkippen aus 3 möglich, beispielsweise indem der Abstand a zwischen beiden Leiterschleifen und gleichzeitig der Winkel α verändert wird.
4 zeigt in 4a das Stehwellenverhältnis (SWR) einer erfindungsgemäße magnetische Antenne am Speisepunkt der Antenne gemessen als Funktion der Frequenz f in Megahertz (MHz). Die magnetische Antenne besteht hierbei aus zwei Leiterschleifen, die jeweils quadratisch geformt sind, eine Seitenlänge von 1 Meter haben und deren Enden jeweils mit der gleichen Kapazität von 23 pF miteinander verbunden sind. Über eine Einkoppelschleife mit einer Seitenlänge von 12 cm wird die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen in die erste Leiterschleife einkoppelt bzw. aus der ersten Leiterschleife auskoppelt. Die durchgezogene Linie zeigt das SWR bei vollständiger Kopplung, wobei beide Leiterschleifen mit einem Winkel von α = 0° und damit parallel zueinander und nahezu direkt aneinander angeordnet sind, entsprechend 4b. Die gestrichelte Linie zeigt das SWR bei verringerter Kopplung, indem die beiden Leiterschleifen um 10° aufgeklappt werden, so dass der Winkel zwischen den beiden Leiterschleifen 10° beträgt und sich die Leiterschleifen an ihrer linken Seite nahezu berühren, entsprechend 4c.
Hinweis: in den perspektivischen Darstellungen der 4b und 4c sowie der 5b ist jeweils nur eine Hälfte der Leiterschleifen und der Einkoppelschleifen dargestellt, da deren andere Hälfte durch den schematisch als graue Fläche dargestellten Gewinn verdeckt wird. In 4b und 4c ist am rechten Rand lediglich eine Ecke der ansonsten verdeckten Hälfte einer Leiterschleife zu erkennen.
Bei α = 0° zeigt das SWR ein Minimum mit dem Wert von nahezu 1:1 bei der ersten Resonanzfrequenz f₁ = 14,13 MHz und bei der zweiten Resonanzfrequenz f₂ = 28 MHz. Bei α = 10° zeigt das SWR den Wert von nahezu 1:1 bei der ersten Resonanzfrequenz f₁' = 14,68 MHz und bei der zweiten Resonanzfrequenz f₂' = 25,4 MHz. Die für den Empfang oder die Ausstrahlung der magnetischen Antenne relevante Resonanzfrequenz f₁ wird also durch Aufklappen der Leiterschleifen von 0° auf 10° um 0,55 MHz erhöht. Durch Aufklappen der Leiterschleifen von 0° bis auf 10° wird die Antenne somit in dem Frequenzbereich von 14,13 MHz bis 14,68 MHz abgestimmt.
4b zeigt perspektivisch in Schrägansicht den Gewinn der Antenne bei α = 0° im Fernfeld und 4c bei α = 10°. 4d zeigt den Gewinn aus 4b als Kreis- bzw. Richtdiagramm. Es zeigt sich, dass der Gewinn und die Form des Richtdiagramms bei α = 10° kaum gegenüber dem Gewinn und der Form des Richtdiagramms bei α = 0° verändert ist. Des Weiteren zeigt sich, dass der Gewinn und die Form des Richtdiagramms der erfindungsgemäßen Antenne sich nicht bzw. nur unwesentlich von dem Gewinn und der Form des Richtdiagramm einer aus dem Stand der Technik bekannten magnetischen Antenne unterscheidet.
5 zeigt in 5a das Stehwellenverhältnis (SWR) einer erfindungsgemäße magnetische Antenne am Speisepunkt der Antenne gemessen als Funktion der Frequenz f in Megahertz (MHz). Die magnetische Antenne besteht hierbei aus zwei Leiterschleifen, die jeweils quadratisch geformt sind und eine Seitenlänge von 1 Meter haben. Die Enden der ersten Leiterschleife sind mit einer Kapazität von 165 pF und die Enden der zweiten Leiterschleife mit einer Kapazität von 23 pF miteinander verbunden. Die durchgezogene Linie zeigt das SWR bei vollständiger Kopplung, wobei beide Leiterschleifen mit einem Winkel von α = 0° und damit parallel zueinander und nahezu direkt aneinander angeordnet sind. Die gestrichelte Linie zeigt das SWR bei verringerter Kopplung, indem die beiden Leiterschleifen um 10° aufgeklappt werden, wobei der Winkel zwischen den beiden Leiterschleifen 10° beträgt und sich die Leiterschleifen an ihrer linken Seite nahezu berühren, entsprechend 5b.
Bei α = 0° zeigt das SWR den Wert von nahezu 1 bei der ersten Resonanzfrequenz f₁ = 7,073 MHz und bei der zweiten Resonanzfrequenz f₁ = 24,5 MHz. Bei α = 10° zeigt das SWR den Wert von nahezu 1 bei der ersten Resonanzfrequenz f₁' = 7,178 MHz und bei der zweiten Resonanzfrequenz f₁' = 24,47 MHz. Die für den Empfang oder die Ausstrahlung der magnetischen Antenne relevante Resonanzfrequenz f₁ wird also durch Aufklappen der Leiterschleifen von 0° auf 10° um 0,105 MHz erhöht. Durch Aufklappen der Leiterschleifen von 0° bis auf 10° wird die Antenne somit in dem Frequenzbereich von 7,073 MHz bis 7,178 MHz abgestimmt.
5b zeigt perspektivisch in Schrägansicht den Gewinn der Antenne bei α = 10° im Fernfeld und 4d als Kreisdiagramm. Der Vergleich von 4c mit den 5b und 5c zeigt, dass das Richtdiagramm der magnetischen Antenne bei Zuschaltung von 142 pF an den Enden der ersten Leiterschleife erwartungsgemäß nahezu unverändert gegenüber dem Richtdiagramm ohne Zuschaltung von 142 pF ist. Der Gewinn einer Antenne wird bekanntlich durch die Baugröße, insbesondere im Verhältnis zur Wellenlänge λ, das Material und den Querschnitt der Leiterschleifen bestimmt. Der Gewinn wird im vorliegenden Fall etwas reduziert, dadurch dass die Leiterschleife bei 7 MHz im Verhältnis zur Wellenlänge kleiner ist, als bei 14 MHz.
6 zeigt schematisch in 6a in seitlicher Ansicht eine Verwendung von zwei einseitig offenen Koaxialkabeln 13 und 14 mit der Länge L₁ und L₂ als Kondensator 10 oder 12 einer offenen, rohrförmigen Leiterschleife mit zwei Enden 1.1 und 1.2 sowie in 6b ein einzelnes derartiges Koaxialkabel 14. Zwischen den beiden Enden 1.1 und 1.2 befindet sich ein Spalt mit dem Abstand z.
Das Koaxialkabel 14 ist mit seinem Innenleiter 8 mit dem Ende 1.1 und seinem Außenleiter 6 mit dem Ende 1.2 verbunden, das Koaxialkabel 13 mit seinem Innenleiter 8 mit dem Ende 1.2 und seinem Außenleiter 6 mit dem Ende 1.1. Die beiden Koaxialkabel wirken hierbei als zwei parallelgeschaltete Kondensatoren. Selbstverständlich ist auch ein Kondensator aus nur einem einzigen Koaxialkabel möglich, das als Gesamtkapazität die Kapazität der beiden parallelgeschalteten Koaxialkabel aufweist. Alternativ ist auch eine Kombination aus einem Kondensator aus einem Koaxialkabel mit einem Keramikkondensator oder jedem anderen Kondensator möglich.
Besonders bevorzugt haben beide Koaxialkabel 13 und 14 die gleiche Länge, also L₁ = L₂. Des Weiteren ist das Ende des jeweiligen Koaxialkabels 13 und 14, das mit dem Ende 1.1 und 1.2 verbunden ist, entsprechend 6b bereichsweise abisoliert, wobei der Innenleiter 8 mit einer Länge S aus dem Isolator 7 herausragt und der Mantel zusätzlich um die Länge I_S gekürzt ist, so dass der Isolator 7 mit einer Länge I_S freiliegt.
Beispiele für Werte der Längen der Koaxialkabel sind:

• L1 oder L2 = 45 cm und damit für RG58 C = 45 pF
• S = 9 mm,
• I_S=10mm

7 zeigt in seitlicher Ansicht eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen magnetischen Antenne. Die Leiterschleife 15 besteht hierbei aus einem Rohr mit dem Durchmesser d, das zu einer rahmenförmigen bzw. rechteckigen Windung mit der Windungszahl 1 (also nur eine Windung) gebogen ist, mit der Breite b und der Höhe h.
Beispielsweise betragen die Werte für eine Leiterschleife aus Kupferrohr:

• Durchmesser d = 15 mm
• Breite b = 65,5 cm
• Höhe h = 65,5 cm
• Abstand z = 1,5 cm

Eine erfindungsgemäße magnetische Antenne, die aus zwei derartig ausgestalteten Leiterschleifen besteht, an deren Enden sich jeweils ein Festkondensator aus einem Koaxialkabel mit den oben genannten Werten befindet, ergibt eine magnetische Antenne für das 20m-Band mit einem Abstimmbereich von 13,9 MHz bis 14,6 MHz, wobei die Resonanzfrequenz jeder einzelnen Leiterschleife 17,15 MHz beträgt. In 6 sind die beiden Koaxialkabel in das jeweilige Ende des Kupferrohres geschoben und nur die beiden gekreuzten Leiter im Spalt z sichtbar. Beide Leiterschleifen werden an ihrer unteren Seite durch jeweils zwei Rohrclips aus Kunststoff drehbar gelagert, wobei der geringste Abstand zwischen den beiden Leiterschleifen bedingt durch den geringst möglichen Abstand zwischen benachbarten Rohrclips 20 mm beträgt.
8 zeigt in seitlicher Ansicht eine Ausführungsform für eine mechanische Vorrichtung, die den Abstand zwischen drei Leiterschleifen 24.1, 24.2 und 24.3 voneinander gleichmäßig verändert. Die mechanische Vorrichtung besteht hierbei aus einem scherenförmigen Aufbau 20, der beispielsweise als Vorrichtung zum Aufhängen und Trocknen von Wäsche bekannt ist. Der scherenförmige Aufbau 20 ist an einer Wand 21 befestigt, wobei das eine Ende 22 drehbar an der Wand befestigt ist und das andere Ende 23 an einer an der Wand befestigten Stange verschiebbar gelagert ist. An den jeweils äußeren Verbindungspunkten sind die drei Leiterschleifen 24.1, 24.2 und 24.3 befestigt.
Durch Verschieben des Endes 23 entlang der Stange und in Richtung des Endes 22 vergrößert sich gleichmäßig der Abstand zwischen den drei Leiterschleifen, wohingegen durch Verschieben des Endes 23 entlang der Stange und vom Endes 22 weg sich der Abstand zwischen den drei Leiterschleifen verkleinert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10258670 A1 [0006]
WO 2013/034293 A1 [0019, 0020]

Claims

Magnetische Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen im Bereich einer Antennen-Resonanzfrequenz, wobei die magnetische Antenne eine erste offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem ersten Querschnitt und einer ersten Geometrie umfasst, wobei die beiden Enden der ersten Leiterschleife über einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität miteinander verbunden sind, so dass die erste Leiterschleife eine erste Resonanzfrequenz aufweist, und wobei die magnetische Antenne eine Koppelanordnung umfasst, wobei die Koppelanordnung die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen in die erste Leiterschleife einkoppelt bzw. aus der ersten Leiterschleife auskoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Antenne eine zweite offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem zweiten Querschnitt und einer zweiten Geometrie umfasst, wobei die beiden Enden der zweiten Leiterschleife über einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität miteinander verbunden sind, so dass die zweite Leiterschleife eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei sich durch eine veränderbare induktive Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife die Antennen-Resonanzfrequenz verändert.
Magnetische Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Vorrichtung den Abstand und/oder den Winkel und/oder den seitlichen Versatz zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife und damit die induktive Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife verändert.
Magnetische Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Antenne mindestens eine weitere offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem weiteren Querschnitt und einer weiteren Geometrie umfasst, wobei die beiden Enden der weiteren Leiterschleife über einen weiteren Kondensator mit einer weiteren Kapazität miteinander verbunden sind, so dass die weitere Leiterschleife eine weitere Resonanzfrequenz aufweist, wobei die mechanische Vorrichtung den Abstand und/ oder den Winkel und/oder den seitlichen Versatz zwischen der ersten und der zweiten und der weiteren Leiterschleife verändern kann.
Magnetische Antenne nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Resonanzfrequenz gleich der zweiten Resonanzfrequenz ist und/ oder die weitere Resonanzfrequenz gleich der ersten und zweiten Resonanzfrequenz ist.
Magnetische Antenne nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Antenne eine mindestens eine weitere Koppelanordnung umfasst, wobei die weitere Koppelanordnung mindestens einen Teil der zu sendenden oder der empfangenen Energie der elektromagnetischen Wellen in die zweite offene Leiterschleife oder die mindestens eine weitere offene Leiterschleife einkoppelt bzw. aus der zweiten offenen Leiterschleife oder der mindestens einen weiteren offenen Leiterschleife auskoppelt.
Verfahren zur Einstellung der Antennen-Resonanzfrequenz einer magnetischen Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Wellen, wobei die magnetische Antenne eine erste offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem ersten Querschnitt und einer ersten Geometrie umfasst, wobei die beiden Enden der ersten Leiterschleife über einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität miteinander verbunden werden, so dass die erste Leiterschleife eine erste Resonanzfrequenz aufweist, und wobei die zu sendende oder die empfangene Energie der elektromagnetischen Wellen durch eine Koppelanordnung in die erste Leiterschleife einkoppelt bzw. aus der ersten Leiterschleife auskoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Antenne eine zweite offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem zweiten Querschnitt und einer zweiten Geometrie umfasst, wobei die beiden Enden der zweiten Leiterschleife über einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität miteinander verbunden werden, so dass die zweite Leiterschleife eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Antennen-Resonanzfrequenz durch Verändern der induktiven Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife durch Verändern des Abstands und/ oder des Winkels und/ oder des seitlichen Versatzes zwischen der ersten und der zweiten Leiterschleife verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Antenne mindestens eine weitere offene Leiterschleife mit zwei Enden und mit einem weiteren Querschnitt und einer weiteren Geometrie umfasst, wobei die beiden Enden der weiteren Leiterschleife über einen weiteren Kondensator mit einer weiteren Kapazität miteinander verbunden werden, so dass die weitere Leiterschleife eine weitere Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Antennen-Resonanzfrequenz durch Verändern des Abstands und/oder des Winkels und/oder des seitlichen Versatzes zwischen der ersten und der zweiten und der weiteren Leiterschleife verändert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Resonanzfrequenz gleich der zweiten Resonanzfrequenz ist und/ oder die weitere Resonanzfrequenz gleich der ersten und zweiten Resonanzfrequenz ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Antenne eine mindestens eine weitere Koppelanordnung umfasst, wobei durch die weitere Koppelanordnung mindestens ein Teil der zu sendenden oder der empfangenen Energie der elektromagnetischen Wellen in die zweite offene Leiterschleife oder die mindestens eine weitere offene Leiterschleife eingekoppelt bzw. aus der zweiten offenen Leiterschleife oder der mindestens einen weiteren offenen Leiterschleife ausgekoppelt wird.