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Antenneneinrichtullg an Empiängerstationen für drahtlose Zeicheugebung.
Die Erfindung bezieht sich auf Empfangseinrichtungen für die drahtlose Verständigung und besonders auf eine Antennenanordnung, die Zeichen aus einer gewünschten Richtung unter wesentlicher Ausschliessung von Zeichen aus einer ändern Richtung wirksani aufnimmt. Ein weiterer Zweck der Erfindung liegt in der Konstruktion einer Antenne, die, obschon sie nicht auf die Frequenz der aufzunehmenden Zeichenwellen abgestimmt zu sein braucht, dennoch hoch auswahlfähig für diese Wellen ist. Ein fernerer Zweck der Erfindung ist eine Empfangsantenne, die ein grösseres Verhältnis des erwünschten Zeichenstromes in bezug auf unerwünschte Ströme, welche von zwisehentretenden Zeichenströmen oder von atmosphärischen Störungen oder von beiden herrühren, ergibt.
Zwecks Ausführung der Erfindung wird eine lange waglechte Empfangsantenne entweder in Form einer Schleife oder in Form eines Leiters mit Erdverbindungen an den Enden verwendet, die vorzugsweise etwa parallel zur Übermittlungsrichtung der aufzunehmenden Signale gerichtet ist. Diese Antenne ist so konstruiert, dass elektrische Wellen von Zeichenfrequenz durch sie mit einer Geschwindigkeit hindurchgehen, die so weit als möglich der Geschwindigkeit gleichkommt, mit welcher die Zeichenwellen im Raume längs der Leitung wandern. Angenommen, dass die Antenne parallel zur Fortpflanzungsrichtung der Zeichenwellen liegt, so ist die betreffende Geschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit.
Wenn elektrische Wellen durch die Antenne mit der gleichen Geschwindigkeit lauten, mit welcher die Zeichenwellen entlang laufen, so werden die in der Antenne induzierten Zeichenströme an dem der Sendestation benachbarten Ende sehr schwach sein und werden allmählich längs der Antenne an Stärke zunehmen, um ein Maximum an dem der Sendest1. tion entferntesten Ende zu erreichen.
Wenn die natürliche Kapazität und Induktanz der Antenne nicht die richtigen Wette haben, um für die Zeichenfrequenz die gewünschte elektrische Wellengeschwindigkeit zu ergeben, so ist es möglich, die Charakteristiken der Antenne derart zu verändern, dass die gewünschte Wellengeschwindigkeit für die betreffende Frequenz erzielt wird. In manchen Fällen kann diese gewünschte Geschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit sein, während sie in andern Fällen davon abweichen kann, wie noch zu erläutern ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Ed'indungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform mit einer langen wagrechten, an beiden Enden geerdeten Antenne, Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung in Form einer langen Schleife, Fig. 3 stellt typische Kurven dar, welche die Änderung der Zeichenstärke längs der Antennenlänge veranschaulichen. Fig. 4 und 5 bringen einige
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kann, Fig. 6 zeigt ein anderes Mittel zur Einstellung der Wellengeschwindigkeit, Fig. 7 und 8 stellen Anordnungen dar, die verwendet werden können, wenn die Empfangsstation nicht in der Linie der langen Antenne liegt.
Nachstehend werden zwecks einfachster Darstellung nur die Erscheinungen beschrieben, die sich bei einer langen wagrechten Antenne nach Fig. 1 ergeben. Selbstverständlich sind die Erscheinungen bei langen Schleifen die gleichen, so dass die Entwicklungen allgemein auch hiefür Geltung haben. Die einfache wagrechte Empfangsantenne 1 (Fig. 1) verläuft von der Empfangsstation 4 am Ende 3 der
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sich als Welle längs der Antenne nach dem Ende. 3 fortpflanzt. Wenn die Geschwindigkeit dieser schwachen Stromwelle in der Antenne gleich der Geschwindigkeit der Zeiehenwelle im Raume ist, so wächst die Stromwelle bei Annäherung an das Ende 3 durch stetige Aufnahme kleiner weiterer Energiebeträge aus den Ätherwellen, da die beiden Wellen in Phase miteinander verlaufen.
Hieraus ergibt sich, dass, wenn die Konstanten der Antenne so sind, dass die Stromwelle mit derselben Geschwindigkeit wie die Ätherwelle läuft, der aufgenommene Strom um so stärker wird, je länger die Antenne ist. Erfindungsgemäss kann die Geschwindigkeit der längs der Antenne fortgepflanzten Welle derart eingestellt werden. dass ein Anwachsen des Stromes in der Antenne an Stellen längs ihres Verlaufes durch die im Äther fortgepflanzten Zeichenwellen sich zu dem in der Antenne fliessenden Strom auf eine Länge addiert, die mindestens gleich
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infolge der Verluste in der Antenne nichts mehr gewonnen wird. Je geringer diese Verluste sind, desto grösser ist die Länge der Antenne, die noch mit Erfolg zu verwenden sein wird.
Aber selbst, wenn man eine ganz verlustlose Leitung annimmt, kommt man schliesslich doch auf eine Länge, nach deren Er- reichung keine weitere Verstärkung der Zeichenstärke eintritt, weil die Wellen auf der Antenne schliesslich i eine Amplittide erreichen, welche der Amplitude der Ätherwellen gleich ist, d. h., die Rückstrahlung
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die Geschwindigkeit der Stromwelle in der Antenne nicht genau die gleiche wie die der Ätherwelle, dann verstärken sich auf eine bestimmte Strecke die beiden Wellen. Schliesslich aber wird ein Punkt erreicht. - an welchem die eine Welle gegen die andere soweit vorgeeilt ist, dass beide sich in Gegenphase befinden.
Dann tdtt Interferenz ein, die Stromwelle nimmt bis auf Null ab, eine neue Welle kommt in Lauf und bildet sich aus Unter solchen Umständen fällt die Stärke der Zeichen bei Aufstellung des Empfangs- apparates am Ende 2 der Antenne schwach aus und wenn der Empfangsapparat längs der Antenne in der Richtung bewegt wird, in welcher die Wellen wandern, so muss die Zeichenstärke allmählich auf einen
Höchstwert zunehmen, dann auf einen Mindestwert abnehmen, der ungefähr der Stärke des ersten Höchst- @ wertes gleichkommt. Die Antennenlänge zwischen Höchstwert und Mindestwert hängt von dem Unter-
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umhüllenden Ätherwelle im Räume ab.
Wenn die Geschwindigkeiten nur wenig verschieden sind, so kann mit Vorteil eine lange Empfangsantenne benutzt werden. Wenn aber die Geschwindigkeiten stark verschieden sind, dann wird es keinen Vorteil bieten, eine grössere Antennenlänge zu verwenden als die, welche das erste Maximum für die gewünschte Zeichenfrequenz ergibt.
Fig. 3 zeigt die Änderung der Stromstärke in der Antenne bei den beiden verschiedenen oben beschriebenen Betriebsbedingungen. Hier stellen die Ordinaten die Zeichenstärke und die Abszissen
Abstände längs der Antenne dar. Kurve B zeigt die Zunahme der Stromstärke längs der Antenne, wenn die Stromwelle in der Antenne und die Ätherwelle mit gleicher Geschwindigkeit laufen. Man ersieht.
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Leitungsverlusten. Es ist angenommen, dass der durch diese Kurve dargestellte Abstand die Höchstlänge der Antenne darstellt, die mit Vorteil zu verwenden ist und diese Höchstlänge sei gleich mehreren Wellenlängen. Die Kurve C zeigt die Änderung der Stromstärke längs der Antenne für einen Fall, in welchem die Stromwelle und die Ätherwelle mit verschiedener Geschwindigkeit wandern.
Der Strom wächst hier bis auf einen Höchstwert im Punkt D, sinkt dann auf einen Mindestwert bei E, steigt auf einen zweiten Höchstwert bei F und sinkt auf einen zweiten Mindestwert bei ss. Da beide Höchstwerte ungefähr gleich sind, so wird offenbar bei den in der Kurve C angenommenen Geschwindigkeitsverhält- nissen für die Zeiehenstärke bei Verwendung einer grösseren Antennenlänge, als dem Abstand. l-D entspricht, nichts gewonnen. Kurve H stellt die Änderung der Stromstärke längs der Antenne für einen andern Fall dar, in welchem die Stromwelle und die Ätherwelle mit verschiedenen Geschwindigkeiten wandern.
Hier ist der höchste Stromwert im Punkte 7 und der Mindestwert am Ende der Antenne erreicht. Viele von den langen bisher verwendeten Antennen benutzen mit Gummi isolierten Draht, der vergraben, unter Wasser verlegt oder auf der Erdoberfläche liegend angeordnet ist. Diese Aus- führungsarten ergeben geringe Geschwindigkeiten und starke Dämpfung : dadurch wird aber die Länge der vorteilhaft zu verwendenden Antenne begrenzt, so dass sich durch Versuche eine günstige Länge von etwa ein Achtel einer Ätherwellenlänge ergeben hat. Die zur Erzielung der Vorteile längerer Antennen nötigen Bedingungen sind eben hohe Geschwindigkeit und geringe Dämpfung.
Für in der entgegengesetzten Richtung wandernde Zeichenwellen entwickeln sich die Ströme in derselben Art. Wenn sie am Ende. S (Fig. l) reflektiert werden, so kehren sie nach. 3 zurück und beeinflussen den Empfangsapparat, so dass die Antenne für Wellen aus beiden Richtungen empfänglich ist. Die Reflexion am Antennenende kann vermieden werden, indem man das Ende 2 durch einen nichtinduktiven Widerstand 5 erdet, dessen Wert gleich oder annähernd gleich dem Wellenwiderstand (surge
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der Antenne pro Längeneinheit sind. Indem man dieses oder ein sonstiges Hilfsmittel verwendet, das Reflexion vom entfernten Antennenende hintanhält, erhält die Antenne ausgesprochene Richtungs-
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Richtungseigenschaften erhält die Antenne.
Der Dämpfungswiderstand 5 in Fig. 1 könnte durch einen Empfänger von äquivalenter Impedanz ersetzt werden, ohne die Nützlichkeit oder die einsinnigen Richtungseigenschaften der Antenne bei
Benutzung des Empfangskreises 4 zu beeinträchtigen. Hat dieser auch eine dem Wellenwiderstand der
Antenne annähernd gleiche Impedanz, dann nimmt ein an dem Ende 2 aufgestellter Empfangskreis nur in der Richtung 3-2 ankommende Zeichen auf, d. h. solche, die entgegengesetzt zu den vom Empfänger 4 aufgenommenen Zeichen laufen. Eine lange Antenne kann demnach zwei Empfangs- stationen für Zeichen aus entgegengesetzten Richtungen aufnehmen, ohne dass durch diese Doppel- wirkung die Leistung der Antenne sinkt.
Zwecks Höchstleistung sollte die effektive Impedanz der
Empfangskreise gleich dem Wellenwiderstand der Antenne sein.
Wie die Theorie lehrt, wandern Stromwellen in einer frei schwebend aufgehängten Antenne, wenn die Erdoberfläche eine vollkommen leitende parallele Ebene wäre, mit einer der Lichtgeschwindigkeit gleichkommenden Geschwindigkeit. Praktisch mag es schwierig sein, diese theoretische Voraussetzung
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grossen Nebenschlusskapazität kann für stetige Wellen einer besonderen Frequenz durch Induktanzen neutralisiert werden, die in Abständen zwischen Antenne und Boden geschaltet werden. Statt dessen kann auch die Wirkung der zu grossen Nebensehlusskapazität hinsichtlich der Verminderung der Wellen- fortpflanzungsgeschwindigkeit durch Einschaltung von Kondensatoren im Zuge des Antennenleiters ausgeglichen werden, wodurch ein Teil der Reiheninduktanz neutralisiert und die Wellengeschwindigkeit erhöht wird.
Diese Nebensehlussinduktanzen oder Reihenkondensatoren sollten genügend nahe aneinander liegen, keinesfalls aber mehr als l/je Wellenlängen getrennt sein, um im wesentlichen die Wirkung ver- teilter Nebenschlussinduktanz oder Reihenkapazität für die aufzunehmende Frequenz zu ergeben. Durch
Wahl geeigneter Werte für die Induktanzen und Kondensatoren kann die Wellengeschwindigkeit auf der
Leitung für stetige Wellen irgendeiner bestimmten Frequenz gleich der Lichtgeschwindigkeit oder grösser gemacht werden.
Für stetige sinusförmige Wellen wird die "scheinbare Fortpflanzungsgeschwindigkeit" für geringere
Frequenzen als diejenige, für welche die Leitung eingestellt ist, grösser als die Lichtgeschwindigkeit, und wird anderseits für Zeichen, deren Frequenz höher als die obige Einstellungsfrequenz ist, geringer als die Lichtgeschwindigkeit. Die scheinbare Geschwindigkeit ist hiebei als eine Funktion der Phasenbeziehung zwischen der Welle im Draht und im Äther aufzufassen. Die scheinbare Geschwindigkeit der Welle in der Antenne ist grösser als die im Äther, wenn die Phase der Welle längs der Antenne vorläuft der Phase im Äther.
Eine andere Art, die Wellengeschwindigkeit auf einer langen Antenne zu verändern, besteht iJ1 der Einführung von Teilen einer künstlichen Linie in geeigneten Zwischenräumen, wodurch die Phase der Welle vorgeschoben oder zurückgedreht wird. So hat die Einführung eines Zweiges aus Reihen- kondensatoren und Nebenschlussinduktanzen die Wirkung, die Phase vorzuschieben oder die durch- schnittliche Wellengesehwindigkeit für die Antenne als Ganzes zu steigern. Die Einführung von Zweigen aus Reiheninduktanzen 9 und Nebenschlusskondensatoren j ? < ?, wie sie Fig. 6 zeigt, bewirkt dagegen eine
Verzögerung oder Verlangsamung der durchschnittlichen Wellengeschwindigkeit der Antenne.
Für stetige Wellen wird die Einführung eines Verzögerungszweiges von geringerer Länge als einer halben
Wellenlänge infolge Verzögerung der Phase der Welle um etwas weniger als eine Periode eine Wirkung haben, die Phase vorzuschieben oder die Wellengeschwindigkeit zu erhöhen, während Einzelimpulse oder stark gedämpfte Wellen mehrere relativ schwache Impulse in der Antenne hervorrufen würden.
Künstliche Linien oder Zweige derselben von der eben beschriebenen Art können eingeführt werden, ohne ernstliche Reflexionsverluste in der Antenne zu verursachen, indem man, vorausgesetzt, dass die
Zweige selbst kurz sind, sie gleich macht und genügend dicht aneinander anordnet oder aber indem man die künstlichen Leitungen so ausbildet, dass ihr Wellenwiderstand demjenigen der uneingestellten Antenne gleich ist.
Die oben beschriebenen Mittel zur Einstellung der Wellengesehwindigkeit ergeben verschiedene
Geschwindigkeiten für verschiedene Frequenzen. Dies ermöglicht auch, der Antenne eine Auswahl- fähigkeit in Hinsicht der Frequenz der Wellen neben der Auswahl der Richtung zu geben. Unter Berück- sichtigung der Kurven der Fig. 3 könnte beispielsweise eine störende Sendestation in direkter Linie mit der Sendestation liegen, deren Zeichen aufgenommen werden sollen.
Angenommen, dass die Wellen- länge der störenden Sendestation von der Wellenlänge der aufzunehmenden Zeichen abweicht, auf welche die Antenne eingestellt ist, so kann man die Geschwindigkeit der Wellen auf der Antenne derart von der
Wellengeschwindigkeit im Raume verschieden machen, dass ein Knoten am Aufstellungspunkte des
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zwei Ströme in der Antenne von zwei in Linie miteinander befindlichen Stationen durch die Kurven f und H (Fig. 3) dargestellt werden.
Dann kann man die Zeichen der durch Kurve I7 da'esteiitell Station aufnehmen, indem man den Empfänger am Punkte 1 aufstellt, wo der Strom der Kurve 77 st : uk und der Strom der Kurve C nur sehr gering ist
Wenn die natürliche Kapazität und Induktanz der Antenne im wesentlichen die Werte hat, die zur Erzielung einer Wellenfortpflanzungsgesehwindigkeit in der Antenne gleich der Lichtgeschwindigkeit
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einzuschalten, die die Wellengeschwindigkeit auf der Antenne verringern wilrden und die Whkung diese) Induktanzen für eine besondere Frequenz durch Einschaltung von Reihenkondensatoren 8 zu neutralisieren.
Die Antenne nach der Erfindung ist vorzugsweise nicht auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt. sondern sie ist aperiodisch zu Strömen der gewünschten Frequenz, wie auch zu solchen mit ändern Frequenzen ; d. h., unerwünschte Ströme können in der Antenne induziert werden in einem Verhältnis zur Stärke der induzierenden Ströme, das gleich ist dem Verhältnis der in der Antenne durch die Zeichenströme induzierten Ströme zu der Stärke solcher Zeichenströme selbst. Es ist indessen aus dem Vor-
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geschwindigkeit zu verringern. Dann neutralisiert man diese Kapazität durch Xebenschlussindnk- tanzen 12 (Fig. 5).
In diesem Fall wirkt die Antenne als Ubertragungsleitung nur bei der gewünschten Frequenz, während für alle tieferen Frequenzen die Leitung einem Hochfreqnenzfilter oder einer punkt-
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tanzen besteht. Für alle Frequenzen oberhalb der Zeiehenfrequenz aber wird die Leitung in ihrer Wirkung analog einem Niederfrequenzfilter oder einer punktweise vereinigten künstlichen Leitung aus Reiheninduktanzen und Nebensehlusskondensatoren.
Die Filterwirkung der eingestellten Antenne bietet ein Mittel zum Hintanhalten unerwünschter Zeichen oder Störungen mit einer Wellenlänge, die von der des gewünschten Zeichens abweicht. Dies ist durch geeignete Bemessung und Verteilung der Induktanzen und Kondensatoren nach bekannten Grundsätzen durchführbar. Eine äquivalente Wirkung kann durch Verwendung eines Filters in der Empfangsstation erzielt werden.
Eine andere Eigenschaft dieser Antennenart ist hinsichtlich der Hintanhaltung von Störungen vorhanden. Es sei eine Antenne dieser Art betrachtet, die wie ein gummiisolierter Draht oder ein Eisen- draht eine niedrige Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit ha. t, die aber durch Reihenkondensatoren für
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kondensatoren praktisch als Nullimpedanz wirken und die Ladung wird sieh längs der Leitung mit ihrer normalen geringen Geschwindigkeit fortpflanzen. In ähnlicher Weise werden zur Beschleunigung der Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit dienende Nebenschlussinduktanzen als unendliche Impedanzen für statische Impulse wirken und die statische Welle wird sieh mit der geringen normalen Geschwindigkeit der Leitung fortpflanzen.
Dies h ; tt zur Folge, dass die statische Welle in der Antenne abwechselnd anschwillt und abnimmt durch Interferenz mit der statischen Welle im Äther und wenn nun zufällig die statische Welle eine gewisse besonders wirksame Frequenz besitzt, die durch Erregung des Empfängerabstimmungskreises störend wirkt, so ist es möglich, den Empfangsapparat an einem Interferenzknoten der statischen Welle anzuordnen. Das aufzunehmende Zeichen aber wird sieh, da es eine stetige Welle ist, fortschreitend bis zu einem hohen Wert an dem für den Empfänger gewählten Punkt entwickeln.
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effektiven Wellengeschwindigkeit auf der Antenne letztere dahin gebracht werden, ihre maximale Empfindlichkeit für Wellen zu zeigen, die unter einem Winkel eintreffen.
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Da die Form der Stromverteilungskurve C oder H (Fig. 3) Von dem Unterschied zwischen der Wellengeschwindigkeit auf der Antenne und der Geschwindigkeit abhängt, mit welcher eine Ätherstörung
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Winkels @, welche für eine bestimmte Antenne den Strom Null am Empfangsende ergeben. Diese toten Punkte oder Richtungen, aus denen ein Zeichen nicht gehört werden kann, hängen von der Wellenlänge, der Antennenlänge und der Antennenwellengeschwindigkeit ab. Dies bietet Mittel dar, um Störung durch eine Sendestation hintanzuhalten, indem man entweder die Länge der Antenne oder ihre Konstanten und damit die Wellengeschwindigkeit einstellt, so dass Zeichen von der betreffenden Wellenlänge aus der betreffenden Richtung unhörbar werden.
In manchen Fällen wird es erwünscht sein, die Empfangsstation in einem Abstande von der Linie der Antenne anzuordnen. Die in der Antenne auftretenden elektrischen Wellen können dann zur Empfangsstation über irgendeinen gutleitenden Übertragungskreis geleitet werden. Damit dieser aber nicht als Teil der Antenne wirkt, wird es erwünscht sein, einen ausgeglichenen Zweileiterkreis zu verwenden, wobei die Leiter 13 (Fig. 7) in geeigneten Zwischenräumen abwechselnd in ihrer Lage vertauscht sind.
Ist der eine Leiter mit der Antenne und der andere direkt mit der Erde verbunden, so wäre ein solcher Stromkreis nicht ausgeglichen und würde als Teil der Antenne wirken. Die Leitung kann ausgeglichen werden, indem man in die Erdverbindung einen Widerstand gleich dem Wellenwiderstand der Antenne einschaltet. Ein solcher Widerstand 5 ist in Fig. 7 angedeutet. Eine andere Einrichtung für eine ausgeglichene Leitung besteht in der Verwendung eines Transformators 14 (Fig. 8) zwischen Antenne und der Übertragungsleitung. Letztere kann dann als besondere Antenne oder Hilfsantenne verwendet werden, indem eine Verbindung mit dem neutralen Punkte der Transformatorwieklung 15 an der Empfangsstation hergestellt wird. Eine ähnliche Verbindung kann am andern Ende hergestellt werden.
Der Transformator 14 dient zum Ausgleich des effektiven Wellenwiderstandes der Antenne und der Übertragungsleitung ; hiebei wird ein Aufwärts-oder Abwärtstransformator verwendet, wenn diese Impedanzen genügend abweichen, um eine merkliche Reflexion zu erzeugen.
Die Einstellung der Wellengeschwindigkeit auf einer Antenne kann derart geschehen, dass nicht bloss eine gewünschte Geschwindigkeit für eine Frequenz, sondern gleichzeitig auch eine gewünschte Geschwindigkeit für eine zweite Frequenz erzielt wird. Beispielsweise sei angenommen, dass die Antenne unmittelbar nach einer Sende'station weist, deren Zeichen aufzunehmen sind, und dass eine zweite Sendestation von
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keit bedeutet. Wird eine Antenne verwendet, deren natürliche Konstanten so sind, dass sich eine Wellen- geschwindigkeit C ergibt, so würde keine Einstellung für die erste Station nötig sein, aber die Wellengeschwindigkeit wäre für die beste Aufnahme von Zeichen der zweiten Station zu gering.
Werden nun
Reiheninduktanzen eingeführt und wird ihre Reaktanz durch Reihenkondensatoren für die Frequenz der Zeichen von der ersten Station neutralisiert, so wird die Wellengeschwindigkeit für diese Zeichen nicht verändert, aber die Geschwindigkeit für die längeren Wellen der zweiten Station wird gesteigert.
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für Wellen von der ersten Station unverändert lassen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Antenneneinrichtung an Empfängerstationen für drahtlose Zeichengebung mit einer im wesentlichen horizontal angeordneten Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass Selbstinduktion, Kapazität und Widerstand der Antenne so verteilt sind, dass die durch die einlangenden Zeichenwellen induzierten Stromwellen sich in der Antenne mit der gleichen Geschwindigkeit fortpflanzen als die Zeichenwellen im Räume längs der Antenne.