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Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Betriebsverfahren für den
Empfang oder die Sendung gerichteter elektrischer Wellen.
Es ist bereits bekannt, für die gerichtete Strahlung elektromagnetischer Energie Antennen zu verwenden, welche ein Paar in einem Winkel zueinander angeordneter Leiter aufweisen.
Gemäss der Erfindung wird nun eine solche Antenne derart ausgebildet, dass die Länge jedes der
Antennenleiter ein Vielfaches einer halben Betriebswellenlänge beträgt und derart erregt, dass auf diesen
Leitern stehende Wellen entstehen, wodurch die Hauptstrahlung im wesentlichen in der Halbierenden von den beiden Leitern gebildeten Winkeln erfolgt.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, den solchen Leitern oder Strahlen, deren Länge entweder eine gerade oder eine ungerade Zahl von halben Wellenlängen beträgt, zugehörigen Winkel und im allgemeinen den Winkel für die beste gerichtete Strahlung der Drähte einer bestimmten Länge festzusetzen.
Ein Paar von in der beschriebenen Weise angeordneten Leitern wird in zwei Richtungen gleich gut strahlen, nämlich in der Richtung zum divergierenden bzw. in jener zum konvergierenden Ende der Drähte, d. h. also, ein so weit beschriebenes Antennensystem wird zweiseitig gerichtet sein.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht nun darin, eine Anordnung mit einseitig gerichteter
Charakteristik zu schaffen. Dies wird dadurch erreicht, dass in der Richtung der den Winkel zwischen den Drähten der Antenne Halbierenden im Abstand einer ungeraden Zahl von Viertel Wellenlängen von den die Antenne bildenden Drähten ein gleiches Paar paralleler Drähte angeordnet wird. Dieses zweite Drähtepaar kann entweder unerregt bleiben oder es kann mit einer solchen Phase erregt werden, dass die Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen in der einen Richtung aufgehoben, in der anderen
Richtung hingegen verstärkt wird.
Die Erfindung bezweckt weiters, den Energiestrom in einer die Ebene der Drähtepaare schneidenden
Ebene, vorzugsweise einer lotrechten Ebene, zu konzentrieren, da die Drähtepaare gewöhnlich in waagrechten Ebenen angeordnet sind. Dies wird dadurch erreicht, dass gleiche Drähtepaare in zu den Ebenen der obenerwähnten Drähtepaare parallelen Ebenen angeordnet und der Abstand der Ebenen der einzelnen Drähtepaare vorzugsweise gleich mindestens einer halben Wellenlänge gemacht wird.
Um die Strahlung der Energie noch weiter zu konzentrieren, können Systeme der beschriebenen
Art breitseitig nebeneinander angeordnet werden, wodurch eine weitere Konzentrierung des ausgestrahlten Energiestromes in einer waagreehten Ebene eintritt und es kann durch Anordnen mehrerer Systeme oder mehrerer Lagen von Systemen übereinander die Strahlung auch in einer lotrechten Ebene weiter konzentriert werden.
In den Zeichnungen stellt Fig. la die hauptsächliche konische Charakteristik eines Leiters dar, auf welchem stehende Wellen erzeugt werden ; Fig. lb zeigt im Querschnitt die Charakteristik eines Leiters, dessen Länge gleich fünf Wellenlängen ist ; die Fig. 2a, 2b und 2e stellen verschiedene Formen der grundsätzlichen Einheit gemäss vorliegender Erfindung dar, bei welcher lange gerade Leiter, auf denen stehende Wellen erzeugt werden, ii einem solchen Winkel angeordnet sind, dass die Hatiptstrahlting
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in der Richtung der den Winkel Halbierenden erfolgt.
Fig. 3 zeigt die zweiseitig gerichtete Charakteristik einer der in den Fig. 2 dargestellten Einheiten, Fig. 4 stellt ein Antennensystem zur Konzentrierung der von einer der in den Fig. 2 dargestellten Einheiten ausgesendeten gerichteten Strahlung dar, Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Mehrzahl von Einheiten nach den Fig. 2 zur Erzielung einer einseitig gerichteten Strahlung.
Die Fig. 6 und 7 zeigen die Kraftverteilung in den waagrechten bzw. lotrechten Ebenen eines in Fig. 5 dargestellten Antennensystems, Fig. 8 zeigt eine breitseitige Anordnung von einseitig gerichteten Einheiten zur weiteren Verstärkung des Richtvermögens der ausgesandten Strahlung elektromagnetischer Wellen ;
Fig. 9 zeigt im Grundriss eine koaxiale Anordnung mehrerer Einheiten zur Verstärkung des Richtvermögens des Wellenstromes, die Fig. 10 und 10a zeigen diamantförmige Anordnungen von Einheiten zur Erzielung einseitig gerichteter Strahlung, Fig. 11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, um eine einseitig gerichtete Energiestrahlung waagrecht und lotrecht zu konzentrieren, wenn die Länge der Drähte 6-12 Wellenlängen beträgt und Fig. 12 ist ein Schaubild, welches das sich gemäss der Erfindung ergebende Verhältnis zwischen der Länge eines einzelnen Leiters eines Leiterpaares und dem diesen Paar bezüglich einer gewünschten Richtung der Strahlung erteilten Winkel zeigt.
Wie Fig. 1a zeigt, bilden sich im allgemeinen um einen im Verhältnis zur Betriebswellenlänge langen Draht 2 zwei Hauptstrahlungshohlkegel 4 und 6. Diese Kegel sind symmetrisch bezüglich des Drahtes 2 und ihre Achsen fallen mit jener des Drahtes zusammen. Für einen gegebenen Draht und eine gegebene Wellenlänge ist der Winkel a zwischen der Achse Y-Y jedes im Querschnitt als solchen erscheinenden Lappens oder Ohres des Kegels und dem Draht 2 konstant.
Genauer betrachtet enthält ein Querschnitt durch das räumliche Polardiagramm eines Drahtes, welcher eine Anzahl von Wellenlängen lang ist und mit stehenden Wellen erregt wird, so viele Ohren, je Quadranten als der Draht Wellenlängen lang ist. Daher hat z. B., wie aus Fig. 1b zu ersehen ist, ein Draht, dessen Länge gleich fünf Wellenlängen ist, fünf Ohren in jedem Quadranten, wobei sich die Ohren der Hauptstrahlung in der Achse Y-Y befinden. Wie ersichtlich, ist die augenblickliche Richtung des
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Wenn nun Energien hauptsächlich in der Richtung der Achse X-X der Fig. 2 ausgestrahlt werden soll, dann müssen die in den Fig. 1 dargestellten Leiter um einen Winkel K bezüglich der Richtung X-X gedreht werden.
Um die gerichtete Charakteristik in Richtung der Achse X-X noch weiter zu verstärken, werden gemäss der Erfindung zwei Drähte verwendet, welche auf entgegengesetzten Seiten der Achse X-Z liegen-und mit dieser einen Winkel K in der Weise einschliessen, dass sich die Achse und das Drähtepaar in ein und derselben Ebene befinden. In anderen Richtungen als in der Achse X-X tritt eine starke Aufhebung der Strahlung ein, als deren Ergebnis ein Paar von in einem Winkel ri. bezüglich der Achse X-X angeordneten Drähten in der Ebene des Drähtepaares eine Strahlungscharakteristik wie in Fig. 3 aufweist.
Wenn man einen langen Draht als das Äquivalent einer sehr grossen Zahl sehr kurzer (Hertzseher) Oszillatoren betrachtet und die Feldkomponenten in einem Punkt P, welcher den Richtungswinkel @
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länge so grossen Entfernung von dem Draht befindet, dass alle von dem Punkt P zu irgendeinem Punkt des Drahtes ausgehenden Verbindungsgeraden als im wesentlichen parallel angesehen werden können,
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Anzahl der in der Drahtlänge enthaltenen halben Wellenlängen bedeutet.
Der Wert des Winkels @, für welchen der eine der beiden obigen Ausdrücke einen Höchstwert erreicht, ergibt natürlich den Wert des Winkels i, in welchem der Draht bezüglich der gewünschten Strahlungsrichtung X-X angeordnet werden soll. Der kritische Wert von für jeden der beiden obigen Ausdrücke kann leicht abgeleitet werden ; sein Wert für Drähte bis zu 14 Wellenlängen Länge ist in Fig. 12 graphisch dargestellt. Für praktische Zwecke ist die empirische Formel
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Um eine Einheit mit zweiseitig gerichteter Charakteristik, wie z. B. in Fig. 3 zu erhalten, kann, wie schon erwähnt, irgendeine der in den Fig. 2 dargestellten Anordnungen verwendet werden.
Die Grundeinheit ist in Fig. 2a dargestellt, in welcher eine Übertragungsleitung. ? einem Paar von einen Winkel 2a miteinander einschliessenden Drähten A und B Hochfrequenzenergie zuführt. Der Winkel. ist jener Winkel, den jeder der beiden Leiter mit der Achse X-X einschliesst, in deren Richtung die Strahler A und B Energie aussenden sollen. Die Leiter A und B sind an ihrem Scheitel verbunden, welcher in die Achse Z-Z fällt (siehe die Figur). Die Drähte werden zwischen ihren Enden in einer Weise gespeist, welche gleich ist jener, in welcher ein Halbwellenoszillator zwischen seinen Enden gespeist wird.
Gegebenenfalls kann natürlich die Übertragungsleitung 10 wie in Fig. 2b die Enden der linearen Strahler A und B eher begrenzen als diese miteinander verbinden.
Immerhin wird die Anordnung gemäss Fig. 2e bevorzugt ; denn sie gestattet, die aus einem Paar von Drähten A und B bestehende Antenneneinheit abzustimmen. Die Übertragungsleitung 10 führt Energie einer U-förmigen Schleife 12 zu, deren Schenkel durch einen einen Spannungsknotenpunkt darstellenden einstellbaren Kurzschlusssteg 14 kurzgeschlossen werden. Die Enden 16 der Schleife 12 versorgen die Leiter A und B mit Energie von entgegengesetzter Phase. Eine Einstellung der Impedanz derart, dass längs der Übertragungsleitung-M keine Reflexion eintritt, wird durch längs der Schenkel der Schleife einstellbare Verbindungspunkte 18 erreicht.
Die Verwendung der Schleife ermöglicht ein vollkommenes Einstellen der Antennendrähte dadurch, dass die gesamte effektive Abstimmlänge jedes Drahtes des" V" oder der Strahlereinheit gleich einer ungeraden Zahl von Viertel-Wellenlängen gemacht wird. Die effektive strahlende Länge ist bloss die Länge des in dem" V" eingeschlossenen Drahtes, da die Schleife nicht strahlt und beliebig lang gemacht werden kann.
Wenn die Abstimmung des"V"durch die U-Sehleife richtig vorgenommen ist, stellt das System eine reine Widerstandsbelastung für die Übertragungsleitung dar. Durch Anschliessen der Leitung an die Schenkel des U in einer geeigneten Entfernung von dem Kurzschlusssteg kann der effektive Wirkwiderstand des Antennensystems gleich dem scheinbaren Wellenwiderstand der Linie gemacht werden, was eine Bedingung für den höchsten Wirkungsgrad der Übertragung bildet.
Es muss hier erwähnt werden, dass die den Strahlern A bzw. B zuzuführende Energie immer von entgegengesetzter Phase sein muss, da sonst in einem entfernten Punkt P auf der Achse X-X eine Aufhebung der Strahlung eintreten würde ; es ist auch zu erwähnen, dass selbstverständlich die soweit be- schriebene Einheit nicht bloss für Sendezwecke, sondern auch in gleicher Weise gut für den Empfang verwendet werden kann, d. h. also ein gemäss der Erfindung ausgebildetes Antennensystem ist gleich gut für jede Art von Strahlllngswirkung geeignet, sei diese Sammlung von Strahlungsenergie oder deren Senden.
Weiters ist es klar ersichtlich, dass die Drähte jeder Einheit jede beliebige Länge haben können, vorausgesetzt, dass sie in dem ihrer Länge entsprechenden richtigen Winkel angeordnet sind. Zwecks bester Abstimmung soll die totale über alles gemessene Länge der beiden Drähte und der U-förmigen Sehleife ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge betragen, aber der das Strahlungselement bildende Teil kann von beliebiger Länge sein.
Für zwischen ungeraden und geraden Vielfachen einer halben Wellenlänge liegende Längen lässt sich kein Ausdruck für den richtigen Winkel aufstellen, da dieser Ausdruck eine komplexe Grösse wäre, doch gehen die empirische Formel und die Kurve der Fig. 12 für praktische Zwecke, wenn die Länge des Drahtes nicht einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge entspricht, genügend genaue Werte.
Zwecks Vermeidung einer unerwünschten Strahlung in hohem Winkel und zwecks Konzentrierung des erwünschten Energiestromes in der Höhe kann das in Fig. 4 dargestellte Schema verwendet werden. Es sind für Paare von Drähten A und B bzw. A'und B'in parallelen waagrechten Ebenen angeordnet und werden von Masten 20 getragen, von denen sie durch geeignete Isolatoren 22 isoliert sind. Beide Drähtepaare oder Einheiten werden von einer Übertragungsleitung 24 über Zuführungen 26 gleichphasig gespeist, u. zw. werden wieder die einzelnen Drähte jedes Paares oder jeder Einheit mit entgegengesetzter Phase gespeist.
Zur Verstärkung der Konzentrierung der ausgestrahlten Energie in lotrechter Richtung sind die Drähtepaare A, Bund A', B'in einem geeigneten Abstand voneinander, u. zw. vorzugsweise in mindestens einer halben Wellenlänge Entfernung in waagrechten Ebenen angeordnet. Das untere Drähtepaar soll sieh dabei mindestens eine halbe Wellenlänge über dem Erdboden befinden. Die zweiseitig gerichtete Strahlung erfolgt in der Richtung der Achse X--X, aber in viel konzentrierterer Form als bei Verwendung bloss einer einzigen Einheit.
Der lotrechte Abstand einer Einheit von der anderen muss nicht ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge betragen. Es ist weiters zu bemerken, dass für Drähte, welche mehrere Wellenlängen lang sind, die lotrechte Strahlung entweder gleich Null oder praktisch sehr klein ist. Im besonderen ist sie
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klein für Drähte, die eine ungerade Zahl von halben Wellenlängen lang sind. Für Drähte, deren Länge annähernd gleich 6-10 Wellenlängen ist, wird ein grösserer Zwischenraum als eine halbe Wellenlänge bevorzugt.
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In der Praxis, wo wirtschaftliche Erwägungen die Höhe der Antenne begrenzen und getrachtet wird, die Erdabsorption so niedrig als möglich zu halten, ist ein Abstand von einer halben Wellenlänge ein gutes Kompromiss. Für das Senden von Energie auf einer Wellenlänge von 17 oder 18 Metern ist eine gute praktische Antenne, eine solche, bei welcher sich die unteren Drähte drei Viertel Wellenlängen über dem Erdboden befinden und der Abstand zwischen den Drähten eine halbe Wellenlänge beträgt.
Zum Tragen der Drähte können in diesem Fall zweckmässigerweise Maste von ungefähr 25 m Höhe verwendet werden. Zwecks Erzielung einer einseitig gerichteten Strahlungscharakteristik können Paare von Einheiten wie sie in den Fig. 2 dargestellt sind, in der Richtung der Achse X-X oder der den von jedem Paar von Drähten in jeder Einheit gebildeten Winkel Halbierenden parallel zueinander und in einem Abstand voneinander, welcher gleich einer ungeraden Zahl von Viertel Wellenlängen ist, angeordnet werden.
Ein derartiges, mit Einrichtungen zur Konzentrierung der Strahlung in einer die Ebene der Drähte jeder Einheit durchdringenden Richtung kombiniertes System ist in Fig. 5 dargestellt. D. h. Fig. 5 stellt ein System nach Fig. 4 dar, welches in der Richtung der Achse X-X verdoppelt ist, wodurch in einer waagrechten Ebene eine gerichtete Charakteristik erzielt wird, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist und eine Kraftverteilungscharakteristik in lotreehter Richtung, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist.
Das System nach Fig. 5, welches das Paar von Drähten A, B und das zum ersteren in Richtung der Achse X-X in einem Abstand einer ungeraden Zahl von Viertel Wellenlängen (im Beispiel der Fig. 5 sind es neun Viertel Wellenlängen) hinter dem Scheitel 28 der Drähte 04, B parallel angeordnete gleiche Paare von Drähten a, b aufweist, wird derart erregt, dass sich auf den Drähten a, b, stehende Wellen bilden, deren Phase gegenüber jener der stehenden Wellen auf den Drähten 04, B um 900 voreilt. Infolgedessen wird die Energie hauptsächlich in der Richtung der Achse X-, nach den divergierenden Enden der Strahler zu fortgepflanzt.
Um den auf diese Weise ausgestrahlten Energiestrom zu konzentrieren. wird ein gleiches Paar von Strahlen unter den Paaren A, B und a, b in Ebenen angeordnet, welche von den zuerst erwähnten Strahlen geeigneten Abstand haben, um die erwünschte Konzentrierung in lotrechter Richtung zu erzielen. Die unteren Strahlerpaare werden durch die Übertragungsleitung 24 Über Anschlussleitung 26, 26'gleichphasig mit den oberen Paaren erregt. Zwecks Abstimmung der verschiedenen Einheiten sind durch Stege 32, 32'kurzgeschlossene U-förmige Schleifen 30,30'vorgesehen.
Natürlich kann man dadurch, dass man die Drähte a, b mit einer gegenüber den Strahlern A, B um 90 nacheilenden Phase erregt, eine einseitig gerichtete Strahlung in entgegengesetzter Richtung erhalten, d. h. gegen die konvergierenden Enden oder Scheitel der Einheiten zu.
Wenn eine grössere Konzentrierung der Strahlungsenergie erwünscht ist, so können mehrere der beispielsweise in Fig. 5 dargestellten, aus einer effektiv strahlenden Einheit A, B und einer effektiv reflek- tierenden Einheit a, b bestehende Systeme breitseitig nebeneinander angeordnet und gleichphasig erregt werden. Es wird hiebei wie in Fig. 8 jede der im Grundriss dargestellten strahlenden Einheiten A, B mit einer reflektierenden Einheit a, b versehen. Durch schematisch angedeutete verzweigte Übertragungsleitungen T wird jedes System gleichphasig gespeist und als Ergebnis dessen wird ein äusserst konzentrierter Energiestrom in der Ebene der Einheiten in der Richtung von den reflektierenden Einheiten zu den strahlenden Einheiten oder umgekehrt je nach der relativen Phase der stehenden Wellen auf den einzelnen Einheiten gesendet.
Die einzelnen Einheiten können auch in der in Fig. 9 gezeigten Weise koaxial angeordnet werden, wo jede Einheit U in der Richtung der gewünschten Strahlung in gewissem Abstand von der anderen
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gerichtete Strahlung in der einen oder der anderen der beiden Richtungen der Achse X-X erzielt, je nachdem ob die stehenden Wellen auf den aufeinanderfolgenden Einheiten infolge des durch den obigen
Ausdruck gegebenen Phasenunterschiedes einander voreilen oder nacheilen.
Ein Fachmann kann sich leicht noch andere Kombinationen ausdenken, beispielsweise können die Einheiten U diamantartig wie in Fig. 10 oder überlagert wie in Fig. 10a angeordnet werden, wobei die Drähte jeder Einheit einander durchdringen.
Zwecks Erzielung einer grösseren Konzentrierung des ausgestrahlten Energiestromes in einer die
Ebene jeder Einheit durchdringenden Ebene können die Systeme in der in Fig. 11 dargestellten Weise erweitert werden. Bei dieser Anordnung wurde das System nach Fig. 5 in lotrechter Richtung verdoppelt. wodurch sich grössere Konzentrierung der Strahlung der Höhe nach ergibt. Die Energie wird dem System durch eine die Impedanz abgleichende Einrichtung 40 und sodann durch geeignete Verbindung- leitungen 42 den reflektierenden Einheiten gleichphasig zugeführt. In gleicher Weise wird den strahlen- den Einheiten die Energie durch geeignete Verbindungen 44 zugeführt.
Durch Abstimmen und Anordnung der strahlenden und reflektierenden Drähtepaare in geeignetem Abstand voneinander kann eine ein- seitig gerichtete Sendung in jeder der beiden Richtungen der Halbierenden, der durch die Drähte jedes Paares gebildeten Winkels erzielt werden.
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Der Abstand zwischen Antenne und Reflektor des in Fig. 11 dargestellten Systems, bei welchem die Drähte 6-12 Wellenlängen lang sind, wird vorzugsweise mit neun Viertel Wellenlängen ausgeführt.
Für Drähte, welche länger als 10 Wellenlängen sind, soll die bevorzugte Ausführungsform einen grösseren Abstand zwischen Antenne und Strahler aufweisen, wie beispielsweise zwei und drei Viertel oder drei und ein Viertel Wellenlängen, hingegen soll dieser Abstand für Drähte, deren Länge drei oder vier Wellenlängen beträgt, ein und ein Viertel Wellenlängen betragen. Im allgemeinen soll für die grösste Konzentrierung bei Wachsen der Drahtlänge (ausgedrückt in Wellenlängen) auch der Abstand zwischen Reflektor und Antenne wachsen.
Bei jedem der Systeme kann natürlich für den Empfang die Übertragungsleitung einfach mit einem geeigneten Empfänger verbunden werden, wobei die Antenne gegen eine Sendestation gerichtet werden muss. Obwohl die Drähte vorzugsweise in waagrechten Ebenen angeordnet werden, können sie auch, ohne dass dadurch vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird, in irgendeinem gewünschten Winkel angeordnet werden und es kann oft während des Sendens wünschenswert erscheinen, die Ebene der Drähte vom Erdboden weg und zu der Richtung, in welcher der Energiestrom gesendet werden soll, hin zu neigen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung für den Empfang oder die Sendung gerichteter elektrischer Wellen mit einer ein Paar in einem Winkel zueinander angeordneter Leiter aufweisenden Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Antenne und ihre frequenzbestimmenden Sehwingungskreise derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Länge jedes der Antennenleiter ein Vielfaches einer halben Betriebswellenlänge beträgt.