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Sendeantenne für drahtlose Stationen.
Die Antennen für funkentelegraphische Systeme bestanden in der bisherigen Konstruktion aus einem in die Luft ragenden elektrischen Leiter oder Leitersystem, das von einer Hochfrequenz-Strom- quelle so aufgeladen wird, dass es zu einer Quelle von Energiestrahlung in der Art des Hertzschen
Schwingungserregers wird. Die Theorie für die Strahlung einer Antenne ist daher allgemein auf Grund der mathematischen Theorie des Hertzschen Oszillators behandelt worden. Das gewöhnliche strahlende
Antennensystem kann als ein einzelner Hertzscher Oszillator angesehen werden.
Man hat schon früher vorgeschlagen, eine Mehrzahl. von Schwingungserregern zu verwenden, um die Strahlung zu erhöhen oder Richtwirkungen zu erzielen, doch ist dieser Gedanke bisher nicht praktisch nutzbar gemachtworden wegen der Schwierigkeiten, die Phase der Schwingungen der verschiedenen Sender so zu beherrschen, dass sie eine vereinigte Strahlung von vorher bestimmtem Charakter hervorbringen.
Zweck der Erfindung ist es, Mittel anzugeben, durch die es möglich ist, mit einer Mehrzahl praktisch getrennter Sender so zu arbeiten, dass eine kombinierte Strahlung der gewünschten Art sicher erreicht wird.
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sechsmal so gross sein wird, wie der von sechs individuellen Sendern, die die gleiche Signalstärke erzeugen.
Ein zweiter Vorteil eines vielfachen Sendersystems besteht darin, dass es die Erzeugung von stärkeren Signalen erlaubt, als bisher möglich war, ohne Rücksicht auf die verbrauchte Energie. Bei jeder Antenne gibt es eine praktische. Grenze für die Strahlung, welche teilweise durch die maximale
Spannung gegeben ist, für die man praktisch den Luftleiter isolieren kann. Mit andern Worten : es ist nicht möglich, die Signalstärke über einen bestimmten Wert hinaus zu erhöhen, dadurch dass man die dem einzelnen Sender zugeführte Energiemenge vergrössert, während man anderseits bei einer Mehrzahl von individuellen Sendern jede gewünschte Signalstärke schon dadurch erreichen kann, dass man die
Zahl der Sender vermehrt.
Ein dritter Vorteil eines Vielfachsenders besteht darin, dass er die Erzeugung von Strahlungsenergie mit entschiedener Richtwirkung erlaubt.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein bequemes und praktisches Mittel anzugeben, um die Phasenbeziehung der individuellen Strahlung so zu regeln, dass die Vorteile einer gerichteten Strahlung ausgenutzt werden können.
In dem bisher üblichen Antennentypus, der dem einzelnen Hertzschen Schwingungserreger entspricht, wird die Energie eingeführt durch einen geerdeten Leiter in Serie mit einer Spule. Wir wollen annehmen, dass in einer Antenne dieses Systems für Fernübertragung der durch die Induktionsspule eingeführte Strom 100 Amp., die Spannung des Luftleiters 50.000 Volt beträgt. Die zur Aufrechterhallmg der Schwingung erforderliche Energie einer solchen Antenne möge 50 KW betragen. Hienach beträgt dieWattkomponente der schwingenden Spannung 500 Volt, oder wie man es gewöhnlich ausdrückt, die Antenne hat einen Widerstand von 5 Ohm. Die zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderliche
Energie wird also in der Form von 100 Amp. und 500 Volt geliefert.
Wenn jedem einzelnen von mehreren
Sendern in dieser Weise Energie zugeführt wird, so würden hiebei, wenn die individuellen Sender sich in beträchtlicher Entfernung voneinander befinden, unnötig grosse Verluste durch induktiven oder
Ohmschen Spannungsabfall in den Zuleitlmgsdrähten auftreten. Um dies zu vermeiden, wird erfindungsgemäss die Energie auf hohe Spannung transformiert bei niedriger Stromstärke und statt sie an dem Erdungsplmkt der Induktionsspule zuzuführen, geschieht die Energiezufuhr in einem Punkt hoher Spannung. In den oben erwähnten Fällen kann z. B. die Energie den Sendern mit 50.000 Volt und 1 Amp. zugeführt werden.
Während in jedem Fall 50 KW an Energie benötigt werden, verbraucht die alta Antennenform diese Energie in derselben Weise, als wenn sie einen Widerstand von 5 Ohm hätte, während der erfindungsgemässe Sender die Energie in der Form eines Widerstandes von 50.000 Ohm verbraucht.
Dies erklärt sich durch die Tatsache, dass bei der alten Antennenform die Energie in Serie mit Selbstinduktion und Kapazität eingeführt wird, während in der erfindungsgemässen Senderform die Energie in einem Stromkreis eingeführt wird, der äquivalent ist der mit der Selbstinduktion parallel geschalteten Antennenkapazität. Dadurch, dass man die Energie in die einzelnen Sender in diese Form einführt, ist es möglich, eine grosse Zahl von Sendern zu speisen, die sich in beträchtlicher Entfernung voneinander befinden, ohne grosse Verluste in den Zuleitungen in den Kauf nehmen zu müssen. Um die Energie in die gewünschte Form zu transformieren, wäre es möglich, einen gewöhnlichen Transformator zu verwenden, der das verlangte Übersetzungsverhältnis besitzt.
Zweckmässiger ist es aber, einen der strahlenden Stromkreise selbst als Schwinglmgstransformator zu benutzen und die Energie allen andern Sendern vom Hochspannungsende des ersten Senders aus zuzuführen. In der vorgezogenen Form kann das Vielfachsendersystem als aus einem primären Sender bestehend angesehen werden, der gleichzeitig als Schwingungstransformator wirkt, um einen oder mehreren Sendern Hochspannungsenergie zuzuführen. Um ein genau abgeglichenes Schwingungssystem zu erhalten, könnte es wünschenswert erscheinen, den primären Sender relativ zu den sekundären Sendern so anzuordnen, dass die Energiezuleitung zu jedem sekundären Sender von dem primären Sender direkt durch Drähte gleicher Länge gebildet wird.
Wenn dieser Aufbau zweckmässig sein kann, so wurde doch in der Praxis gefunden, dass es nicht notwendig ist, jeden sektmdären Sender direkt mit dem primären Sender zu verbinden und dass es beim Bau der Antennen praktisch ist, die sekundären Sender der Reihe nach miteinander zu verbinden, also derart, dass der Energiestrom vom primären Sender aus der Reihe nach die sekundären Sender erreicht. In einem Falle hat die Antenne den Charakter einer horizontal geführten Kraftiibertragungsleitung. Diese Antenne ist dadurch in eine Mehrzahl individueller Sender geteilt, dass Erdverbindungen mit eingeschalteten Induktionsspulen in passenden Abständen über ihre Länge angebracht sind. Die Luftleiter, von denen die Strahlung ausgeht, dienen gleichzeitig dazu, um den aufeinanderfolgenden Sendern Energie zuzuführen.
Da die Energie den sekundären Sendern in Form von hoher Spannung bei geringem Strom zugeleitet wird, kann offenbar eine grosse Zahl von Sendern an eine solche Übertragungsleitung angeschlossen werden, ohne nennenswerte Veränderung der Spannung und Phase zu bedingen.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, von denen die Fig. 1, 2 und 3 in Form von Schemata verschiedene Anordnungen darstellen, während Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Richtwirkung der Erfindung erklärt. In der Fig. 1. besteht das Sendersystem aus einer Mehrzahl horizontaler Leiter 1 von beträchtlicher Länge. Diese werden von Stützen 2, von denen sie isoliert sind, über dem Erdboden getragen. Dieses System wird durch die Erdzuleitungen 7, 8, 9, 10 und 11 in deren jeder Abstimmung-
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oder Ladespulen 12-15 eingeschaltet sind, in fünf einzelne Sender geteilt. Die genannten Erdleitungen bestehen aus einer Mehrzahl von Drähten 17, die über die Erdoberfläche ausgebreitet sind, so dass das Ende jedes Leiters dauernd geerdet ist.
Die Senderenergie wird dem ersten Sender der Reihe von einem Hochfrequenzgenerator 18 geliefert, der durch den Transformator 19 mit einer Leitung 20 verbunden ist. Diese führt den Strom dem Transformator 21 zu, durch welchen er in die Erdleitung 7 eingeleitet wird.
Der erste Sender umfasst die Erleitung 7 und die Teile der Leiter 1, die damit verbunden sind, und dieser Sender fungiert als Schwingungstransformator, um die über den Transformator 21 zugeführte Spannung heraufzusetzen. Die Energie wird dabei direkt in hochgespannter Form vom ersten Sender auf den zweiten Sender übertragen, der die Erdzuleitung 8 und die daran angrenzenden Teile der Leitung 1 umfasst. Auch der zweite Sender fungiert als Schwingungstransformator, der die Energie von hoher Spannung bei schwachem Strom in die Form niedrigerer Spannung bei starkem Strom überführt, wobei er einen schwingenden Ladestrom in der Erdleitung 8 hervorruft, der von gleicher Grösse sein kann, wie der Ladestrom in der Erdleitung 7.
Die Leitungen 1 dienen auch als Übertragungsleitung für die hochgespannte Energie zum 3., 4. und 5. Sender nacheinander. Diese Sender fungieren in derselben Weise wie der 2. Sender, so dass Ladeströme der gleichen Ordnung oder Grösse in allen Erdzuleitungen entstehen. Zum Beweis für den Vorteil, der durch den Gebrauch der Erfindung entsteht, wurden Versuche mit einer Antenne in der in der Fig. 1 dargestellten Form gemacht, welche in sechs Einzelsender unterteilt war. Wenn 50 KW Hochfrequenzenergie der Antenne zugeführt wurden und eine einzige Erdverbindung benutzt wurde, erhielt man einen Ladestrom von ungefähr 100 Amp.
Wenn sechs Erdverbindungen benutzt wurden, betrug der Ladestrom in jeder Erdleitung ungefähr 45 Amp., entsprechend einem Gesamtladestrom von 270 Amp., bei dem gleichen Energieaufwand war die effektive Strahlung etwa 2'7mal so gross, wie die, welche man erhielt, wenn die Antenne als einzelner Sender benutzt wurde.
Die in Fig. 2 dargestellte Form der Erfindung unterscheidet sieb von der in Fig. 1 gezeigten nur durch konstruktive Details. In diesem Falle hat jeder Einzelnsender die Form einer Schirmantenne, und die Einzelnsender sind alle durch eine Übertragungsleitung 22 verbunden, die Hochfrequenzmcrgic vom ersten Sender 23 nacheinander den sekundären Sendern 24, 25, 26 und 27 zuführt. Ein so ausgebildetes Sendersystem arbeitet ebenso wie das in Fig. 1 dargestellte.
In Fig. 3 ist eine Abänderung der Erfindung angegeben, die dann angewendet werden kann, wenn man eine Richtwirkumg zu erhalten wünscht. In diesem Falle werden die Einzelsender durch Induk- tanzen 28, 29 und 30 von solcher Grösse getrennt, dass sie den von den aufeinanderfolgenden Sendern
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effektes erforderlich ist. An Stelle der Induktanzen kann man zwischen den Einzelnsendern auchKapazi- täten anbringen.
Bei der Untersuchung einer Methode, durch die ein System an Einzelnsendern für gerichtete
Strahlung verwendbar gemacht werden kann, darf man eine Antenne, wie sie in der Fig. 1 oder 2 dargestellt ist, betrachten als eine gleichförmig verteilte Kapazität zwischen einem linearen Leiter und der Erde. Das den Leiter umgebende elektrostatische Feld erstreckt sich in drei Richtungen ; es wird genügen, den Potentialgradienten nur in zwei Richtungen zu betrachten, nämlich in der vertikalen Richtung zwischen Leiter und Erde und in der horizontalen Richtung längs des Leiters. Wenn ein Luftleiter durch eine Stromquelle mit ungedämpften Wellen in Schwingungen von bestimmter Frequenz versetzt wird, so bilden sich im elektrostatischen Feld stehende Wellen aus.
Diese Wellen müssen gemäss der horizontalen und der vertikalen Potentialverteilung analysiert werden. Wenn der Leiter in keiner Weise mit der Erde verbunden ist, so hat er eine natürliche Periode horizontaler Schwingungen. In diesem Fall treten in der vertikalen Ebene keine Schwingungen auf. Wenn ein Ende des Leiters mit der Erde verbunden ist, so wird er eine andere natürliche Periode (Eigenschwingung) haben. Die Schwingungen werden in diesem Fall horizontal und auch bis zu einem gewissen Grade vertikal sein, soweit ein Ladestrom zwischen dem Leiter und der Erde übergeht. Ein so angeordneter Luftleiter mit Erdverbindung an dem einen Ende wurde früher viel gebraucht.
Wenn ein solcher Leiter durch eine grosse Zahl gleichmässig verteilter Spulen mit der Erde verbunden ist, so wird er zu einer Vielfachsenderantenne, wie oben beschrieben.
Ferner wenn die Selbstinduktion dieser Spulen so abgeglichen ist, dass die Schwingungen in allen diesen verschiedenen Spulen wesentlich in Phase sind, so kann man sagen, dass die Antenne vertikale, aber keine horizontalen Schwingungen ausführt. Es ist aber möglich, die Antenne so abzustimmen, dass sie gleichzeitig sowohl horizontale wie vertikale Schwingungen ausführt. Die vertikalen und horizontalen
Schwingungen können von verschiedener Frequenz sein, wenn eine Energiequelle von mehr als einer Frequenz verwendet wird.
Das könnte der Fall sein bei Erregung der Antenne durch einen Lichtbogen- generator oder einen Röhreneender. Im vorliegenden Falle indessen wird es am einfachsten sein, die Strahlung als einwellig anzusehen, wie es der Fall ist bei Erregung der Antenne durch einen Hochfrequenz- generator, in welchem Falle die gleichzeitig auftretenden horizontalen und veltikalen Schwingungen notwendig die gleiche Frequenz haben. In dem Falle, wo der Leiter nur an einem Ende mit der Erde verbundenist, treten die horizontalen Schwingungen derartauf, dass das geerdete Ende einen Schwingung- knoten und das offene Ende einen Schwingungsbauch bildet.
Man glaubte früher, dass eine Antenne dieser Art eine gerichtete Strahlung aussende ; doch ist jetzt nachgewiesen worden, dass dies nicht der
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Fall war, weil die Länge der Antenne geringer war als ein Viertel der Wellenlänge, mit der sie arbeitete, während es für eine wirksame gerichtete Strahlung nötig ist, dass die Länge der Antenne mindestens gleich der Hälfte der Strahlungswellenlänge betragen muss. In einer einfachen horizontalen Antenne, der beschriebenen Art, fand man die Verteilung der Kapazität und Induktanz immer so, dass die Wellenlänge der stehenden Welle längs der Antenne kürzer ist, als die Sendewellenlänge. Diese Bedingung verhindert, wie später genauer auseinandergesetzt werden soll, die Sicherung der wirksamsten Strahlung.
Die fundamentale Regel, die befolgt werden muss und die in der folgenden Untersuchung auseinandergesetzt werden soll, ist die, dass die Wellenlänge der stehenden Welle gleich oder grosser sein muss als die Sendewellenlänge. Wenn Strahlung in der Längsrichtung der Antenne gewünscht wird. muss die stehende Welle eine Länge gleich der Sendewellenlänge haben. Wird aber eine gerichtete Strahlung unter 900 zur Richtung der Antenne gewünscht, so muss die Länge der stehenden Welle gleich unendlich
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gleich der Sekante des Winkels sein zwischen der Richtung der Strahlung und der Richtung der Antenne. Um diese Beziehung geometrisch zu beweisen, nehmen wir an, dass eine Welle mit Lichtgeschwindigkeit vom einen Ende der Antenne aus zu wandern beginnt.
Um maximale Strahlwirlung zu '-ichern, ist es wünschenswert, dass die Welle bei ihrer Wanderung längs der Antenne stets Impulse erhält, die mit der Welle selbstin Phase sind. Aus diesem Grunde muss die stehende Welle eine Wellenlänge haben. die gleich der Länge der wandernden Welle ist. Wenn eine Antenne mit einer stehenden Welle schwingt, deren Länge grösser ist als die Sendewellenlänge, so kann man annehmen, dass die verschiedenen Punkte der Antenne Strahlungen verschiedener Phasen aussenden und der geometrische Ort für alle Punkte, in denen individuelle Wellen einer bestimmten Phase sind, kann durch Kreise dargestellt werden, die um die verschiedenen Strahlungszentren besehrieben werden.
Wenn wir jetzt Fig. 4 betrachten, so möge die stehende Welle durch Is repräsentiert sein. Um den Punkt a der stehenden Welle, der als Knoten dargestellt ist, möge ein Kreis beschrieben werden mit einem Radius gleich der Wellenlänge der Strahlung ?,.. Um Punkt b beschreiben wir einen Kreis, der um ein Viertel dieser Wellenlänge kürzer ist. Der Kreis um Punkt c hat einen Radius gleich ein halb der Wellen- länge, der um Punkt einen solchen von ein Viertel der Wellenlänge. Die Linie t, welche alle diee Kreise tangiert, kennzeichnet die Strahlungsrichtung, wobei die Strahlung senkrecht zu dieser Tangente am
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Richtung der Antenne und der Strahlungsriehtung ist.
Wendet man diese Formel auf einen Fall an, wo die stehende horizontale Welle kürzer ist als die Sendewellenlänge, so würde die Richte'ru einer
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rufen wird. Man wird finden, dass diese verlangte Kapazität niedriger ist als diejenige zwischen Luftleiter und Erde. Dann hat man die Methode zu befolgen, den nichtgewünschten Teil der Kapazität gegen Erde zu neutralisieren und einen Betrag verteilter Kapazität zu belassen, der eine stehende Welle von gewünschter Länge ergibt. Statt die Kapazität gegen Erde zu neutralisieren, wird es möglich sein, durch Serienkondensatoren die Längsinduktanz des Luftkiters zu neutralisieien. Beide Methoden können kombiniert verwendet werden, wenn es gewünscht wird.
Wenn man das Verfahren der Abstimmung des Luftleiters vom obigen Standpunkte betrachtet, so wird man folgendes finden : Die Strahlungsmethode, die in der Verwendung einer Anzahl unabhängiger Sender besteht, welche von einer gemeinsamen Hochfrequenz-Energiequelle derart erregt werden, dass sie in Phase schwingen, ist nur ein Spezialfall der einer zusammengesetzten horizontalen Antenne mit
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einer horizontalen stehenden Welle. Dieser Spezialfall ist ein solcher, bei dcm die Länge der stehenden Welle gleich unendlich ist und diese Sendemethode, sei sie gerichtet oder nicht gerichtet, kann von dem
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stehende Wellen von einer solchen Länge benutzt haben, die kürzer waren als die Sendewellenlänge
PATENT-ANSPRÜCHE :
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Sendeantenne für diahtlose Stationen aus einer Anzahl von Einzelnantennen bestehend, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelnantenne (primäre) von einer Hochfrequenzstromquelle erregt wird und die weiteren (sekundären) Einzelnantennen nacheinander an eine Übertragungsleitung (Luftleiter) angeschlossen sind, welche die Energie von der primären zu den sekundären Einzelnantennen überträgt.