Mit mindestens einem Phasenschieber versehene Richtantennenanordnung. Es ist bekannt., dass bei Sende- und Empfangsrichtantennen, insbesondere V-An- tennen, bei denen stehende Wellen auftreten, verbesserte Richteigenschaften durch Auftei lung langer, strahlender Leiter in mehrere Teile, die über Phasenschieber zusammen ver bunden sind, erhalten werden, wodurch die Abstrahlung der verschiedenen Teile der An tenne ein resultierendes Strahlungsdiagramm in der gewünschten Richtung erzeugen, dessen Feldstärke in der maximalen Strahlungsrich tung grösser ist als wenn die Leiter nicht durch solche Phasenschieber aufgeteilt werden.
Bei diesen Anordnungen wird die Phasen- versehiebung im allgemeinen mittels einer ge falteten Übertragungsleitung ausgeführt, die an den Enden der Teile so angekoppelt ist, dass sie die gewünschte Phasenverschiebung bei einer besonderen Frequenz verursacht. Diese Art von .Phasenschieber ist. ganz allge mein verwendet worden, da eine gefaltete Übertragungsleitung so angeordnet werden kann, dass sie keine grosse Unstetigkeit erzeugt, die störende Reflektionen auf der Leitung hervorrufen könnte.
Phasenschieber dieser Art müssen jedoch gewöhnlich sehr lang sein, da meistens nur eine kleine Phasenvoreilung erforderlich ist, und demzufolge die durch ge faltete Übertragungsleiter erzeugte Phasenver zögerung nur wenig kleiner als 360 Grad sein muss, um die gewünschte Phasenkorrektur zu erhalten. Obgleich diese gefalteten Übertragungs leitungen meist so angeordnet sind, dass deren Abstrahlung möglichst minimal ist, entsteht doch eine merkbare Strahlung von diesen Phasenschiebern, die das Strahlungsdiagramm der Antenne als Ganzes beeinflussen.
Ein einfacher Kondensator, der eine Pha- senvoreilung erzeugt, ist nicht geeignet, weil er eine Unstetigkeitsstelle bildet, die eine starke Reflexion hervorruft und sich in einer grösseren Verzerrung bemerkbar macht.
An Hand der Fig. 1 bis 5 der beigefügten Zeichnungen werden nun zunächst die Strah lungseigenschaften eines langen, strahlenden Leiters und die Wirkung der erwähnten Un terteilung durch Phasenschieber näher er örtert.
In Fig. 1 ist. ein Dipol 11 gezeigt, der eine Richteharakteristik 12 hat. Solch ein Dipol 11 kann als ein Einheitsstrahler betrachtet wer den. Diese Richtcharakteristik bleibt so lange erhalten, wie die Länge L des Dipols elektrisch sehr kurz ist, z. B. geringer als eine halbe Wellenlänge lang ist. Wenn wir einen langen Leiter annehmen, wird jedes einzelne Element des Leiters phasenverschoben zu den andern Elementen erregt, so dass die resultierende Strahlung diejenige einer Antennenanord- nun- aus Einzelelementen ist, wo jedes Ele ment mit unterschiedlicher Phase erregt wird. Wenn der Leiter 11 z.
B. gleich ). gemacht wird, wobei 2, die Wellenlänge der Arbeits- frequenz ist, dann wird die Richtcharakte- ristik die Form von Blättern haben, wie in Fig. 2 in einer Ebene dargestellt ist, das heisst sie wird die Form eines Rotationskörpers um den Leiter 11 als Achse haben, dessen Quer schnittsfläche in Fig. 2 gezeigt ist.
Der Win kel, den das Strahlungsmaximum zum Leiter bildet, wird nicht mehr 90 betragen, wie im Fall von Fig. 1, sondern wird unter einem kleineren Winkel <B>0,</B> auftreten. Wenn dann der Leiter bis auf zwei Wellenlängen verlän gert wird, wird die Richtcharakteristik die jenige von Fig. 3 sein.
Dieses Strahlungs diagramm hat eine maximale Strahlung unter einem Winkel von 0, zum Leiter 11 und zwei Nebenmama 13, wie gezeigt. Wenn jedoch der Leiter vier Wellenlängen lang gemacht wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist, erhält die Richt- charakteristik eine noch andere Form, die maximale Strahlung (Blatt 14) tritt unter einem Winkel 04 zum Leiter 11 auf.
Dieser Winkel 04 ist beträchtlich kleiner als der Win kel OZ für den zwei Wellenlängen langen Lei ter. Gleichzeitig treten zusätzlich Neben mama auf, die mit 15 bezeichnet sind.
In jedem dieser verschiedenen Diagramme ist das Hauptstrahhingsblatt bei längerer Drahtlänge grösser als die Nebenblätter, aber diese Ver grösserung gegenüber den Nebenblättern ist nicht proportional der Drahtlängenvergrösse- rung, da die Erregungsschwingungen der ein zelnen (gedachten) Einheitsstrahler nicht die für eine maximale Richtwirkung erforderliche Phasenverschiebung zueinander haben.
Wenn deshalb ein vier Wellenlängen (4A) langer Leiter in zwei je zwei Wellenlängen lange Leiter geteilt würde und eine genügende Pha senverschiebung zwischen den. beiden Teilen hervorgebracht würde, so dass die abgestrahl ten Schwingungen der einzelnen 2. d-Ein- heiten sich zusammen unter dem Winkel 0, addieren, würde dadurch bei derselben Sender- leistung das in Fig. 4 gezeigte Strahlungs diagramm 16 (nur in einem Quadranten als Querschnitt dargestellt) erzeugt werden kön nen.
Weiterhin ist es klar, dass die abgestrahl ten Schwingungen der zwei Wellenlängen lan- gen Elemente, die den Leiter 11 von Fig. 4 bilden, auch in der Richtung von 04 nicht in Phase sind. Wenn sie iuzter dem Winkel 04 in Phase wären, dann würden sie in dieser Richtung ein stärkeres Feld erzeugen.
Wenn die Phasenlage der Erregerschwingungen so korrigiert wird, dass die abgestrahlten Schwin- b ragen sich in der Richtung vor 0; genau addieren, so werden die Schwingungen auch -unter dem Winkel O4 beträchtlich vergrössert, weil derselbe nicht sehr von 02 abweicht.
In den Zeichnungen der Fig. 2 bis 4 sind die Winkel <B>0,</B> 021 04 nicht in ihrer wirklichen Grösse dargestellt worden, sondern sind aus Darstellungsgründen willkürlich gezeichnet. Der Winkel zwischen der Richtung maximaler Abstrahliuig und dem Leiter hängt von der in Wellenlängen gemessenen Leiterlänge ab.
Dies ist ausgeführt in A Discussion of 1VIe- thods Employed in Calculations of Electro- magnetic Fields of Radiating Conductors von A. Alford, Seite 70 bis 88 in Electrical Commiinications Juli 1936, veröffentlicht durch International Standard Eleetric Cor poration.
Die vorstehenden Ausführungen können an Hand von Fig. 5 noch besser verstanden werden. In dieser Figur sind zwei Drähte A-B und C-D gezeigt, die in einer geraden Linie angeordnet sind. Der Draht A -B wird in A gespeist und die Hauptstrahhm.gsrichtimg seiner Strahlung verläuft unter dem Winkel 0 nach einem sehr fernen Punkt P. Der Draht C-D wird von<I>D</I> aus über den Phasenschieber N gespeist.
Die Länge der Strahler A-B und C-D sei je gleich<I>L.</I> Die Strahlung, die von einem Punkt 3I2, auf C-D ausgeht, hat einen kürzeren Weg nach dem Punkt P als die Strahlung, die von einem entsprechenden Punkt i711 auf A-B ausgeht. Dieser Weg unterschied ist gleich L cos 0.
Auf der andern Seite würde, wenn kein Phasenschieber N zwischen B und C vorhan den wäre, die Schwingung, die in 1V12 ankommt, in der Phase hinter der Schwingung in 111, in der Phase entsprechend der Länge des Weges <I>L</I> zurück sein.
Der direkte Weg AI@P ist im- mer kürzer als der Weg Jll.ll_Pl, und zwar kürzer um die Strecke: L-L cos <I>O = L</I> (1.-cos O).
Die von 11, ausgehende Strahlung trifft daher in P gegenüber der von :l11 ausgehenden Strah lung mit einer Phasenverzögerung ein, die gleich
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(1-eos O) ist.
Diese Phasendifferenz in P wird im allge meinen beträchtlich geringer als 180 sein, und es ist deshalb meist erforderlich, durch den Phasenschieber N eine Phasenvoreilung der Schwingungen in C gegenüber denjenigen in <B>B zu</B> bewirken. Die bisher übliche Verwendung einer gefalteten Übertragungsleitung zur Er zeugung der erforderlichen kleinen Phasen- voreilung der Schwingungen im Leiterabschnitt C-D ist aus den eingangs erwähnten Grün den nachteilig. Die Erfindung gestattet, diese Nachteile zu beheben.
Sie betrifft eine Richt- antennenanordnung, bei welcher mindestens ein langer, strahlender Leiter durch minde stens einen Phasenschieber in verschiedene Abschnitte unterteilt ist. Dieselbe zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass der Pha senschieber aus zwei in den Leiter eingeschal teten Reaktanzelementen und dem dazwischen liegenden Leiterstück besteht, wobei die Grösse der Reaktanzen und der Abstand der Elemente voneinander so bemessen sind, dass diese Ele mente bei der Betriebsfrequenz mindestens an genähert in konjugierter Beziehung zueinan der stehen.
Eine konjugierte Beziehung zwischen den beiden Reaktanzelementen be steht, wenn die Reflexionswirkungen dieser Elemente sich auf den erwähnten Leiterab schnitten gegenseitig aufheben. Für den Fall von zwei quer zu einer Übertragungsleitung angeordneten Reaktanzelementen ist diese konjugierte Beziehung ausführlich in dem USA.-Patent Nr. 2147807 erläutert.
Die Fig. 6 bis 9 der beiliegenden Zeich nung zeigen vier Ausführungsbeispiele der er findungsgemässen Richtantennenanordnung und die Fig. 10 und 11 konstruktive Einzel heiten der verwendeten Reaktanzelemente.
In Fig. 6 sind zwei Leiterabschnitte A-B und C-D gezeigt, die durch einen Phasen schieber verbunden sind, der aus zwei Kon densatoren C und dem dazwischenliegenden Leiterstück von der elektrischen Länge u be steht. Jeder der Kondensatoren C wird eine Phasenvoreilung erzeugen, so dass die totale Phasenvoreilung des Phasenschiebers doppelt so gmoss sein wird wie die durch jeden Kon densator allein veranlasste.
Die Abmessungen des Phasenschiebers kön nen wie folgt abgeleitet werden: Wenn die R.eaktanz k jedes Kondensators X =l; Ccu ist, wobei C die Kapazität des Kon- densators und (o=2 ji <I>f</I> ist<I>(f</I> =Betriebsfre quenz), dann ist die Phasenvoreilung, die durch die zwei konjugierten Kondensatoren bewirkt wird, gleich 2 0, wobei
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und Z, den Wellenwiderstand des zwischen. B und C. befindliehen Drahtes gegenüber dem Erdboden bedeutet.
Die bei B reflektierte Welle wird durch die bei C reflektierte Welle kompensiert., wenn der Abstand zwischen den Kondensatoren, also B-C, eine elektrische Länge a =90 ----$ hat. Vorausgesetzt ist dabei, dass die Amplitude der von einem Kondensator reflektierten Welle klein ist gegenüber der Amplitude der durch gelassenen Welle.
-,1Ian erhält folgende Tabelle:
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<B>_V/Z.</B> <SEP> <I>u2Zo</I> <SEP> (D0 <SEP> 2(D, <SEP> Q <SEP> 20
<tb> 0,1 <SEP> 0,05 <SEP> 2,8 <SEP> 5,6 <SEP> 1,l1. <SEP> 92,8
<tb> 0,2 <SEP> 0,10 <SEP> 5,7 <SEP> 11,4 <SEP> 1,22 <SEP> 95,7
<tb> 0,3 <SEP> 0,l5 <SEP> 8,5 <SEP> 1.7,0 <SEP> 1,35 <SEP> 98,5
<tb> 0,4 <SEP> 0,20 <SEP> 11,3 <SEP> 22,6 <SEP> 1,45 <SEP> 101,3
<tb> 0,5 <SEP> 0,25 <SEP> 1.4,0 <SEP> 28,0 <SEP> 1,64 <SEP> 104,0
<tb> 0,6 <SEP> 0,30 <SEP> 16,7 <SEP> 33,4 <SEP> 1,81 <SEP> 106,7
<tb> 0,7 <SEP> 0,35 <SEP> l.9,3 <SEP> 38,6 <SEP> l,98 <SEP> 109,3
<tb> 0,8 <SEP> 0,40 <SEP> 21,8 <SEP> 43,6 <SEP> 2,19 <SEP> 111,8
<tb> 0,9 <SEP> 0,45 <SEP> 24,2 <SEP> 48,4 <SEP> 2,39 <SEP> l14,2
<tb> 1,0 <SEP> 0,50 <SEP> 26,5 <SEP> 53,0 <SEP> 2,63 <SEP> 116,5
<tb> 1,1 <SEP> 0,55 Zwischen den Kondensatoren,
auf dem Leiterstück B-C, entstehen stehende Wellen und in vorstehender Tabelle ist Q das Wellig- keitsverhältnis, das heisst das Verhältnis der Maximiunspannung zur llinimiunspannung dieser stehenden Welle.
Obgleich die konjugierte Beziehung- der zwei Serienkondensatoren des Phasenschiebers nur für eine bestimmte Frequenz erreicht wer den kann, werden Betriebsfrequenzen, die nur wenig von derselben abweichen, fast keine Störungen- verursachen, solange die Phasen- voreilung nicht zu gross ist.
Dies deshalb, weil für andere Werte der Phasenvoreihmg der Wert von Q zwischen den Kondensatoren klein bleibt, so dass selbst dann, wenn der zweite Kondensator nick in der genauen Ent fernung vom ersten liegt, der Phasenschieber praktisch noch keine Reflexionsstelle darstel len wird. Wenn die Antenne bei mehreren Be triebsfrequenzen verwendet werden soll, ist lediglich zu beachten, dass die Phasenvor- eilung nicht zu gross gemacht wird, damit die konjugierte Beziehung jeweils bei der verwen deten Betriebsfrequenz annähernd gewahrt bleibt.
In Fig. 7 ist schematisch ein Ausführungs beispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem zwei strahlende Leiter der in Fig. 6 darge stellten Art verwendet wird. In Fig. 7 stellt 70 einen Empfänger oder Sender dar. Der Sender oder Empfänger-70 ist über Leitungen 71 an eine V-Antennenanordnung gekoppelt, die die Leiterabschnitte 72, 73, 74 in einer Antenne und die Leiter 75, 76, 77 in der an dern Antenne aufweist.
Die Leiterlängen 72 bis 77 sind vorzugsweise gleich und unter einem derartigen Winkel zueinander angeord net, dass das gewünschte Strahlungsdiagramm sein Maximum in einer Richtung hat, die ge gen die Öffnung des V weist und unter einem Winkel zu der Horizontalen geneigt ist, der von der Nähe des Erdbodens oder anderer re flektierender Flächen abhängt. Zwischen je dem dieser Leiterabschnitte ist ein Phasen schieber 78 der beschriebenen Art vorgesehen.
Obgleich üi der in Fig. 7 dargestellten An tennenanordnung jede Antenne in drei Teile geteilt ist, ist die Anzahl der Teile selbstver- ständl#ich beliebig. Während in dem Ausführungsbeispiel Fig. 7 der Winkel zwischen den strahlenden Leitern der gewünschten Charakteristik ange- passt ist, können die beschriebenen Phasen schieber auch in schon bestehende V-Antennen- anordnuugen eingeschaltet werden,
um die Strahlungscharakteristik zu verbessern, ob wohl der Öffnungswinkel des V meistens nicht mehr entsprechend der Richtung der maxima len Strahlung eingestellt werden kann.
Die Tatsache, dass solch eine Verbesserung erhalten werden kann, ist teilweise aus Fig. 4 ersichtlich und ist klarer in Fig. 8 dargestellt. In Fig. 8 weist die dargestellte Antennen anordnung zwei strahlende Abschnitte 81 auf, die die Leiter einer V-Antennenanordnung bilden. Zwischen den Armen 80 und 81 ist ein Phasenschieber 82 der an Hand von Fig. 6 beschriebenen Art vorgesehen. Das Strah lungsdiagramm der Leiter ohne Phasenschie ber ist durch die ausgezogenen Kurven 83 und 83' dargestellt. Diese Strahlungsdiagramme sind ohne Nebenmaxima dargestellt.
Die Rich tung der maximalen Feldstärke der Blätter bildet einen Winkel 04 mit den strahlenden Armen der Antenne. Durch Hinzufügung der Phasenschieber werden die Feldstärken ver grössert und die Richtung der maximalen Feld stärke verändert, wie mit 84, 84' dargestellt ist. Durch Hinzufügung der Phasenschieber wird die maximale Abstrahlungsrichtung der Strahler von einem Winkel 04 nach einem Winkel 0_, verändert, so dass eine maximale Abstrahlung in Richtung der Winkelhalbieren den des Öffnungswinkels V durch Vergrösse rung dieses Winkels erhalten werden könnte.
Wie jedoch ersichtlich ist, wird die Feldstärke in dieser Richtung auch vergrössert, wenn der Öffnungswinkel nicht geändert wird. Die Strahlung der Anordnung in der Richtung der bestehenden Nachrichtenverbindung wird also schon allein durch die Phasenschieber ver bessert.
Als ein besonderes Beispiel kann man eine ebene V-Antennenanordnung betrachten, de ren strahlende Leiter 6. A, lang sind und einen Winkel von 401 einschliessen. Eine derartige Anordnung ergibt angenähert eine Phasen- different von 65 zwischen den Schwingungen der aus zwei Elementen zusammengesetzt ge dachten Leiter, da
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Wenn Phasenschieber in der Mitte zwischen je 3.
n, Längen jedes Leiters angeordnet wer den, sollten sie demnach eine Phasenvor- eilung ergeben, damit die Phasendifferenz Null wird. Ohne Phasenschieber würden sieh die Strahlungsseliwingungen mit 65" Phasen differenz addieren. Die Feldstärke in der ge wünschten Richtung wird also durch den Phasenschieber im Verhältnis
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vergrössert.
An Stelle einer 65"-Phasenversehiebung kann in dem oben gegebenen Beispiel die Kor rektur nur etwa 50" betragen, was fast ebenso viel Gewinn ergibt, ohne eine so grosse Pha- senvoreilung in einem einzigen Phasenschieber zu erfordern.
Bei 10 MHz würde dies einen Kondensator von ungefähr 26,5 ,u,uF erfordern. Solch ein Kondensator ist sehr klein und kann aus einem Paar Kondensatorplatten von weniger als 20 cm-' aufgebaut werden, die ungefähr einen Zentimeter Abstand voneinander haben. Da der Kondensator sehr klein und leicht ist, kann er bequem von den Abspannisolatoren der Antennenleiter getragen werden.
Es dürfte klar sein, dass die Richtantennen anordnung nicht nur aus zwei V-förmig ange ordneten langen Antennen zu bestehen braucht. Diese Antennen können an sich beliebig ange ordnet sein. In Fig. 9 ist eine Anordnung ge zeigt, wo eine einseitig gerichtete Abstrahlung durch Verwendung zweier Antennenpaare 80 und 81 erreicht wird, die einen geeigneten Abstand haben. Jede Antenne ist mittels Kon- densatorphasenschiebern 83 in einzelne An tennenelemente geteilt.
Obgleich nur zwei Ein heiten in Fig. 9 dargestellt sind, können selbstverständlich auch mehrere Einheiten in dieser Anordnung vorgesehen werden. Die bei den Antennenpaare können von der Quelle 85 erregt werden, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Statt dessen könnte auch eines der Antennenpaare, wie z. B. 81, strahlungserregt werden.
Besondere Beispiele von Kondensatoren, die für die Phasenschieber geeignet sind, sind in den Fig. 10 und 11 gezeigt. Fig. 10 zeigt. einen Isolator 50, der zwei Leiterstücke 51 und 52 mechanisch verbindet. Von dem Längs schaft des Isolators wird der Kondensator, der durch zwei zylindriselie Töpfe 53, 54 ge bildet wird, getragen. Der eine Topf 53 ist an den Isolator 50 mittels einer Klammer 57 an geklammert und ist mittels eines Drahtes 55 mit dem Leiterstück 51 verbunden. Der andere Topf 54 des Kondensators ist mittels des Drahtes 56 mit dem Leiterstück 52 verbunden. Die Kapazität des Kondensators kann durch Verschiebung des Topfes 53 längs des Isolators 50 verändert werden.
Zwischen den Klammern 57 und 58 und dein Isolator 50 sind Bleiunterlegscheiben 59 vorgesehen, damit der durch die Leitung auf den Isolator 55, 56 ausgeübte Zug nicht ein Brechen des Isolators verursacht.
Eine andere Kondensatorkonstruktion ist in Fig. 11 gezeigt. Gemäss diesem Ausfüh rungsbeispiel werden anstatt zylindrische Kon- densatortöpfe Scheiben verwendet, die mit 70 und 71 bezeichnet sind. Diese Scheiben sind vorzugsweise aus Metallblech hergestellt und an den Rändern eingerollt, um die Festigkeit derselben zu erhöhen und ein Schwingen der Scheiben zu verhindern, was zu einer Verän derung des Kondensatorwertes führen würde. Die Scheiben sind einstellbar an dem Schaft des Isolators 50 festgeklammert, ähnlich wie es in Fig. 10 dargestellt ist.
Um die Kapazität des Kondensators einzustellen, kann der Ab stand zwischen den Platten durch Lösen von Schrauben und Verschiebung der Platten ge geneinander geändert werden.
Diese Kondensatorformen sind besonders zweckmässig, weil sie leicht sind und leicht an gebracht werden können.