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Hochfrequenzleitung zur Ausstrahlung oder Fortleitung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzleitung, die zur Übertragung oder zur Ausstrahlung elek- trischer Schwingungen sehr hoher Frequenz besonders geeignet ist. Zur Übertragung dienende Hochfre- quenzleitungen bestanden bisher aus zwei voneinander völlig isolierten metallischen Leitern. Hiebei be- stehen die Schwierigkeiten, die beiden Leiter durch Isolierkörper gegeneinander abzustützen, wodurch gleichzeitig grössere Verluste bedingt werden.
Zur Ausstrahlung dienende Leiter besitzen meist die Form von Stäben oder geschlossenen Zylindern, die mit den zu speisenden Geräten so verbunden werden, dass auf ihnen Ströme entstehen, die in ihrer
Längsrichtung fliessen. Es ist auch schon eine Rundfunkantenne bekannt, die aus einer angenähert zu einem Zylinder zusammengebogenen Metallfläche besteht, wobei die Seitenkanten nicht miteinander leitend verbunden sind, sondern sich derart überlappen, dass der Querschnitt eine Spirale darstellt. Bei dieser Anordnung soll, offenbar durch die vergrösserte Antennenfläche, eine Verstärkung der Signale er- zielt werden.
Die erfindungsgemässe Hochfrequenzleitung zur Ausstrahlung oder Fortleitung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen ist durch einen längsgeschlitzten Metallzylinder, der durch eine koaxial umgebende
Spule oder durch eine an zwei den Schlitzrändern nahen Punkten angeschlossene Doppelleitung erregt wird, gekennzeichnet. Vorteilhafterweise ist die Einrichtung zur Zu- oder Ableitung von Strömen in der Hälfte der Länge des Längsschlitzes angebracht.
Zweckmässigerweise sind die Enden des Schlitzes kurzgeschlossen. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Einrichtungen zur Zu-oder Ableitung von Strömen an voneinander entfernten
Punkten entlang des Längsschlitzes angebracht. Eine zweckmässige Ausgestaltung besteht darin, dass mehrere Längsschlitze vorhanden sind.
Vorteilhafterweise sind der Schlitz oder die Schlitze auf die Wellenlänge abgestimmt, wobei sie die Länge einer Viertel- oder einer halben Wellenlänge besitzen.
Die beiden Schlitzkanten stellen eine Energieleitung dar, welche Reiheninduktivität und eine Querkapazität, ähnlich den üblichen Doppelleitungen, besitzt, jedoch ausserdem eine parallel zur Querkapazität liegende Querinduktivität, welche durch die Umfangsinduktivität gebildet wird und in der Nähe der Abstimmung die Querkapazität mehr oder weniger neutralisiert.
Hiedurch wird. die Dämpfung vermindert und die Fortschreitungsgeschwindigkeit erhöht, was insbesondere für den Fall der Ausstrahlung wichtig ist. Man kann auf diese Weise einen Strahler erhalten, der auf seiner ganzen Länge gleichphasig schwingt, obwohl seine Länge grösser ist als eine halbe Wellenlänge, was bisher nur durch eingeschaltete besondere Reihenkapazitäten oder aber mit Hilfe von Umwegleitungen möglich war.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt einen rohrförmigen Kupferleiter 1 mit einem Schlitz 2, welcher sich in einem Gehäuse 3 befindet. Eine Spule 4 umgibt das
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eine Ende des Leiters und kann mit hochfrequenter Signalenergie von einer nicht gezeichneten Quelle gespeist werden. Hiebei wird die Signalenergie induktiv auf den Leiter 1 übertragen. Es kann aber auch bei einer andern Ausführungsmöglichkeit die Signalenergie an den gegenüberliegenden Kanten des Schlitzes durch zwei Leiter 4a, die punktiert eingezeichnet sind, unmittelbar galvanisch zugeführt werden.
Der Leiter 1 bildet einen geschlossenen Kanal zur Übertragung des magnetischen Flusses, welcher durch die induzierten Signalströme erzeugt wird, indem der Fluss am entgegengesetzten Ende des Leiters ein Feld aufbaut, welches durch die Spule 5 wieder in elektrische Energie umgesetzt werden kann. Auf Grund der hohen Frequenz kann der magnetische Fluss, vorausgesetzt, dass das Kupfer genügend dick ist, den Kupferleiter nicht durchdringen und pflanzt sich längs des rohrförmigen Leiters fort bis auf einen Teil, welcher durch den Schlitz austritt. Der Schlitz ist ein notwendiges Merkmal der Leitung gemäss der Erfindung,. damit die Röhre nicht einen Kurzschluss bildet, welcher den magnetischen Fluss am Eintreten in die Röhre verhindern würde.
In Fig. 1, welche rein schematisch den Erfindungsgedanken wiedergibt, sind keine Mittel angegeben, um den Verlust an magnetischem Fluss durch den Schlitz 2 einstellbar zu gestalten. Solche Mittel sino in ''zig. 2 beispielshalber angegeben. Hier dient eine Platte 6 dazu, den Schlitz abzudecken. Der Abstand dieser Platte soll einstellbar sein, um die Kraftlinien in gewünschtem Masse an dem Austritt aus der Leitung zu hindern. Ein anderes Mittel, um diesen Effekt zu erzielen, besteht darin, gemäss Fig. 3 den Schlitz so anzuordnen, dass die Kanten des Leiters sich überlappen, wobei der Abstand durch isoliert angebrachte Schrauben eingestellt werden kann.
Der Leiter kann auch aus zwei Teilen von halbkreisförmigem Querschnitt zusammengesetzt sein, wie dies in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Auch hier ist durch die Schrauben die Schlitzbreite einstellbar.
Im folgenden soll die Wirkungsweise des rohrförmigen Leiters für den magnetischen Fluss durch ein
Analogiebeispiel dem Verständnis nähergebracht werden. Hiezu denke man sich eine gleichartig geformte Röhre aus isolierendem Material, welche in eine leitende Flüssigkeit eingebettet ist. Das Kupferrohr wirkt für den magnetischen Fluss wie das Isolierrohr für den elektrischen Fluss, und die Luft in dem Kupferrohr und um dasselbe herum wirkt für den magnetischen Fluss wie eine elektrisch leitende Flüssigkeit innerhalb und ausserhalb des Isolierrohres. Der Schlitz in dem Isolierrohr bildet einen Ableitungsweg für den Strom vom Inneren des Rohres zu der das Rohr umgebenden Flüssigkeit.
Im Falle der in eine leitende Flüssigkeit eingebetteten Isolierröhre können die kapazitiven Ströme durch den Isolator gegen die induktiven Ströme durch den Schlitz so ausgewogen werden, dass für eine bestimmte Frequenz der Scheinleitwert Null vorhanden ist. Der analoge Effekt tritt bei der in Luft eingebetteten Kupferröhre für den magnetischen Fluss auf, indem die Induktivität der durch die Röhre gebildeten Metallschleife gegen die durch den Schlitz gebildete Kapazität in geeigneter Weise abgewogen wird.
Die übliche Forderung, die an eine zur Nachrichtenübermittlung benutzte Antenne gestellt wird, besteht darin, dass sie in allen horizontalen Richtungen eine gleichmässige Strahlung erzeugen soll. Diese Forderung wird z. B. durch eine Vertikalantenne, welche vertikal polarisierte Wellen ausstrahlt, erfüllt. Wenn man eine solche Antenne in eine horizontale Lage bringt, damit sie horizontal polarisierte Wellen ausstrahlt, so besitzt sie in der Horizontalebene in Richtung der Antennenachse ein Strahlungsminimum.
Zur Erzielung einer Rundstrahlung kann man Kombinationen von Dipolen benutzen, z. B. gekreuzte Dipole, die mit 900 Phasenverschiebung gespeist werden, oder im Dreieck oder Vieleck aufgestellte Dipole, die gleichphasig gespeist werden. Eine sehr einfache Lösung dieses Problems bestände auch darin, eine horizontal angeordnete Rahmenantenne zu benutzen, wobei die geforderten Poiarisations- und Richteigenschaften automatisch erfüllt werden. Dem steht jedoch der geringe Strahlungswiderstand eines solchen kleinen Rahmens entgegen, welcher eine sehr hohe Selektivität verursacht, so dass die Antenne für kurze Wellen und breite Bänder, wie sie bei Fernsehübertragungen erforderlich sind, nicht benutzt werden kann.
Nun bildet ein Abschnitt des in Fig. 1 gezeigten zylindrischen Leiters in der Tat eine solche Schleifenantenne mit einer einzigen Windung. Der Nachteil des geringen Strahlungswiderstandes ist jedoch durch Verminderung der Induktivität überwunden, wenn die Schleife eine zylindrische Form besitzt, wobei die Länge des Zylinders etwa gleich der Wellenlänge ist. Hiebei tritt der weitere Vorteil auf, dass durch die erhebliche Vertikalausdehnung der Antenne eine vertikale Bündelung bewirkt werden kann.
Im folgenden soll erläutert werden, wie eine im wesentlichen konstante Stromverteilung bei einer Antenne hergestellt werden kann, die die Form des Leiters der Fig. 1 besitzt. Der Leiter 1 bestehe aus Kupfer und sei etwa eine Wellenlänge lang, während der Durchmesser etwa X/30 betrage. Die Speisung möge durch die punktiert eingezeichneten Leiter 4a gescheher.
Wenn man nun die Verteilung der Zirkularströme um den Zylinder herum durch eine den Zylinder
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umgebende Schleife, in die ein Messinstrument eingeschaltet ist, über die ganze Länge des Zylinders untersucht, so findet man, dass die Stromverteilung an einem Ende ein scharfes Maximum besitzt. Nähert man nun die Kanten des Schlitzes 2 einander immer mehr, so dass sie sich schliesslich überlappen, ohne sich zu berühren, so ändert sich die Stromverteilung längs des Zylinders nach und nach, wobei das Maximum verschwindet und auch an andern Stellen ein messbarer Strom auftritt.
Die Dämpfung sinkt zunächst, und es kann ein Zustand erreicht werden, bei dem die Stromverteilung über die ganze Länge gleichmässig ist, abgesehen von einer geringen Dämpfung gegen das von der Speisestelle entfernte Ende hin, welche auf die Strahlungs- und die ohmschen Verluste zurückzuführen ist. Man hat dann ein System vor sich, in dem stationäre Wellen auftreten, deren Wellenlänge erst etwas grösser ist als die Wellenlänge in Luft, jedoch können diese Wellen durch weiteres Verengern des Schlitzes in Übereinstimmung gebracht werden.
Die Veränderungen der Stromverteilung können in eine Beziehung gesetzt werden zu der Kapazität zwischen den Schlitzkanten. Der Teil des Rohres in der Nachbarschaft des Schlitzes kann als Leitung mit zwei symmetrischen Leitern aufgefasst werden, die eine Serienindliktivität und eine Parallelkapazität besitzen, wie im normalen Falle eine Energieleitung, wobei jedoch zusätzlich parallel zu der Kapazität 0 eine kontinuierliche induktive Belastung vorhanden ist, welche parallel zu der Kapazität liegt und durch den Zylinderkörper gebildet wird. Ein Elementarabschnitt dieser Leitung kann also dargestellt werden durch eine Induktivität in Reihe mit der Speisespannung und eine Parallelkombination einer Induktivität und einer Kapazität.
Dies wäre das Bild für eine symmetrische Anordnung, bei welcher in jedem Leiter die gleiche Induktivität liegt. Die unsymmetrische Form wird durch eine Reiheninduktivität im einen Leiter und eine Parallelkombination von Induktivität und Kapazität dargestellt. Wenn der Schlitz weit offen ist, hat die Querkapazität einen geringen Wert und besitzt einen Leitwert, der viel geringer als der der Querinduktivität ist. Die Leitung hat also sowohl im Reihenzweig als auch im Parallelzweig eine Induktivität und ist daher stark gedämpft. Wird nun der Schlitz nach und nach verengert, so wächst die Kapazität und vermindert daher die
Dämpfung bis ein Punkt erreicht ist, bei welchem die Querinduktivität und die Querkapazität abgestimmt sind.
Unter diesen Bedingungen besitzt die Leitung einen Parallelzweig sehr hoher Impedanz, so dass die
Dämpfung und die Phasenverschiebung sehr gering sind, wobei gleichzeitig eine gleichmässige Stromver- teilung über den ganzen Zylinder auftritt. Wird nun der Schlitz noch weiter verengert, so wird die Quer- kapazität noch grösser und neutralisiert die Querinduktivität, so dass nunmehr eine übliche Übertragungs- leitung gebildet ist, in welcher der effektive Wert der Querkapazität vermindert ist, woraus eine Ver- grösserung der Phasengeschwindigkeit entsteht.
Alle Ströme, welche in dem Zylinder fliessen, sind imstande zu strahlen, jedoch heben sich dieje- nigen, welche in der Längsrichtung in der Nähe der Schlitzkanten fliessen, im wesentlichen in ihrer Wir- kung gegenseitig auf, so dass das Strahlungsfeld der Ströme überbleibt, welche um den Zylinder herum- fliessen. Jeder Elementarabschnitt des Zylinders verhält sich daher wie eine Rahmenantenne, und die re- sultierende Strahlung kann aus der'Summierung der Einzeleffekte nach Amplitude und Phase erhalten wer- den. Im Falle der gleichmässigen Stromverteilung über die ganze Zylinderlänge sind die Ströme in den einzelnen Rahmenabschnitten von gleicher Grösse und Phase, so dass ein Maximum der Strahlung im Äqua- tor der Antenne auftritt.
Es sind Versuche gemacht worden, bei denen ein Aluminiumleiter von quadratischem Querschnitt als Strahler benutzt wurde, wobei eine Quadratseite mit einem überlappenden Schlitz von einstellbarer
Weite versehen war. Bei der speziellen Anwendungsweise des Leiters ändern sich die Kanten des Schlitzes in ihrer Spannung symmetrisch gegen das Erdpotential, indem der Leiter durch symmetrische Hochfre- quenzleitungen an den Schlitzkanten gespeist wurde. In einem ändern Falle wurde der Aussenleiter einer koaxialen Leitung mit der Kante des Leiters, die diagonal gegenüber dem Schlitz befindlich war, ver- bunden, und der Innenleiter wurde mit der einen Schlitzkante verbunden. Messungen zeigten, dass hori- zontal polarisierte Wellen ausgesandt wurden und dass ein in der horizontalen Richtung zirkulares Dia- gramm vorhanden war.
Wenn die Schlitzbreite grösser war als für Abstimmungsverhältnisse erforderlich, so ergab sich in einer Ebene, welche die Leiterachse einschloss, ein schlechtes Richtdiagramm. Ein besseres Richtdiagramm wurde erzielt, wenn die Schlitzbreite auf Abstimmung eingestellt war und eine gleichmässige Stromverteilung auf dem Leiter herrschte. Wurde der Schlitz noch weiter geschlossen, um die Bedingungen von stationären Wellen zu erzielen, so ergab sich ein Richtdiagramm mit zwei Strah- lungsmaxima und einem dazwischenliegenden Minimum.
Bei einer Frequenz von 60 MHz, bei welcher die Versuche durchgeführt wurden, konnte der Strahler an seinem einen Ende gespeist werden und ergab noch ein Strahlungsmaximum in seinem Äquator.
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Bei 100 MHz fiel für Abstimmungsbedingungen des Strahlers das Strahlungsmaximum nicht mehr in den Aquator, wenn der Strahler am einen Ende gespeist wurde.. Wurde der Strahler in der Mitte gespeist, so fiel das Strahlungsmaximum wiederum in den Äquator. Der Erhebungswinkel des Strahlungsmaximums wird durch die Phasendifferenzen längs des Strahlers hervorgerufen. Die Verluste im Kupfer und die Strahlungsverluste erzeugen nämlich eine Fortpflanzungskonstante mit Phasenverschiebung und Dämpfung. Die Fortpflanzungskonstante hängt, wie sich zeigen lässt, von dem Abstand vom Speisepunkt ab. Ein grosser Abstand erzeugt relativ grosse Phasenverschiebung und Dämpfung und daher ein stärker geneigtes Diagramm. Um ein symmetrisches Diagramm zu erzielen, muss die Länge zwischen den Speisepunkten möglichst kurz sein.
Daher konnte in dem oben gezeigten Beispiel durch Mittelpunktsspeisung eine bessere Strahlungscharakteristik erzielt werden, als durch Speisung von einem Ende her. Derselbe Effekt kann insbesondere bei längeren Strahlern durch eine Anzahl gleichmässig verteilter Speisepunkte erzielt werden. So trat z. B. bei 150 MHz das Phänomen der Neigung des Strahlungsmaximums bei Spisung von einem Ende her stark in Erscheinung und konnte durch Anwendung von fünf Speisepunkten. die gleichmässig fiber die Länge verteilt waren, wieder völlig beseitigt werden. Die fünf Speisepunkte waren mit fünf gleichartigen Speiseleitungen verbunden, welche von einem gemeinsamen Punkt her gespeist wurden. Bei den Experimenten wurden günstige Wirkungsgrade, verglichen mit einem À ! 2 Dipol für einen schmalen Frequenzbereich, erzielt.
Oberhalb der kritischen Frequenz ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit endlich, d. h. es tritt eine kontinuierliche Phasenverschiebung über die Länge des Strahlers auf, während keine Dämpfung vorhanden ist. Daher entstehen bei nicht richtiger Anpassung an den Klemmen stehende Wellen, die auf Reflexionen zurückzuführen sind. Es wurden Versuche zur Untersuchung des Auftretens von stehenden Wellen gemacht.
Hiezu wurde eine Frequenz von 150 MHz benutzt bei einem Kupferleiter von quadratischem Querschnitt, welcher 17 cm breit und 60 cm lang war, also gerade etwa eine Viertelwellenlänge lang. Der Wellen- widerstand'und die Fortpflanzungskonstante wurden mit der üblichen Energieleitungsméthode gemessen, indem einmal das entfernte Ende offen und einmal das entfernte Ende kurzgeschlossen war. Die grösste
Schlitzbreite war 1, 25 cm und lag weit genug von der Bedingung der Abstimmung entfernt. Die erhal- tenen Resultate waren in genügender Übereinstimmung mit den theoretischen Werten.
Die Anwendung der Erfindung bei Antennen ist in den Fig. 6 - 8 gezeigt. Hier ist der Leiter 7 verti- kal aufgestellt und wird durch einen hohlen Metallmast 8 gehalten, welcher in Abständen durch Leiter 9 mit dem elektrischen Mittelpunkt der Leiteroberfläche 7 verbunden ist. Durch Verbindungsleitungen 10 und 11 wird dem Leiter 7 Signalstrom zugeführt aus einer Energieleitung, die innerhalb des hohlen Mastes
8 verläuft. Die Speisepunkte liegen jeweils eine halbe Wellenlänge auseinander.
Die Fig. 7 und 8 zeigen die Methode der Verbindung an zwei aufeinanderfolgenden Speisepunkten, und man sieht daraus, dass die Speisung an zwei solchen Punkten von entgegengesetzten Leitern der Energieleitung geschieht. Der Leiter 7 kann für jeden Speiseahschnitt aus einem besonderen Leiter bestehen, doch kann dieser Leiter auch durchlaufen, wenn für eine genügend grosse Phasengeschwindigkeit gesorgt ist.
Bei einem einzelnen Leiter von der Länge X/ & kann die Speisung durch Verbindung mit den gegen- überliegenden Kanten am einen Ende geschehen, während am entgegengesetzten Ende ein Kurzschluss vorgesehen ist, um die gewünschte Form der Verteilung des Flusses zu erzielen. Bei einer andern Ausführungsform kann die Verbindung mit der Speiseleitung auch in der Mitte des Leiters vorgenommen werden, während gegebenenfalls an beiden Enden Kurzschlüsse vorgesehen sind.
Es kann auch eine andere Leiterlänge als À. ! 2 benutzt werden, wenn die richtige Abstimmung des Schlitzes gewählt wird. Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, kann ein zusammengesetzter Leiter dadurch gebildet werden, dass zwei sich überlappende Halbzylinder vorgesehen sind, bei denen die Abstimmung in gleicher Weise wie bei einem einfachen Schlitz vorgenommen werden kann. Es sei noch erwähnt, dass der Querschnitt des Leiters verschiedene Formen besitzen kann und dass ein oder mehrere Schlitze vorgesehen sein können. Bei der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform können die gegenüberliegenden Kanten nach innen umgebogen sein, so dass geradlinige isolierende Abstandhalter in den Schlitz eingeklemmt werden können, wodurch die ganze Anordnung eine gewisse mechanische Festigkeit erhält.
In diesem Falle ist der in den Fig. 6-8 gezeigte Mast 8, der zur Halterung dient, unter Umständen nicht mehr notwendig.
Um einen Antennenleiter gemäss der Erfindung über einen breiten Frequenzbereich wirksam 7. 11 machen, ist es wünschenswert, dass der Durchmesser relativ gross ist. Bei Wellenlängen von 5 m ist einDurchmesser zwischen 15 und 35 cm günstig. Bei sehr breiten Frequenzhereichen können Leiter Verwendung finden, welche grössere Durchmesser als 35 cm besitzen und bei denen iann mehrere Längsschlitze vor-
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gesehen sind. Es wurden in der Beschreibung nur geradlinige Leiter erwähnt, jedoch können auch in gewissen Fällen gebogene Leiter beliebiger Form vorteilhaft sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochfrequenzleitung zur Ausstrahlung oder Fortleitung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, gekennzeichnet durch einen längsgeschlitzten Metallzylinder, der durch eine koaxial umgebende Spule oder durch eine an zwei den Schlitzrändern nahen Punkten angeschlossene Doppelleitung erregt wird.