DE3815163A1 - Vorrichtung zum unterdruecken von reflexionen elektromagnetischer wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Reflexionen elektromagnetischer Wellen, insbesondere im Frequenzbereich von 10 MHz bis 1 THz, wobei die Vor­ richtung vor einem Körper mit einer Reflexionsfläche angeordnet ist.

Um elektromagnetische Wellen zu unterbrechen, sind zwei unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt. Zum einen han­ delt es sich um eine Absorption, d. h. die auftreffende Strahlung wird in eine andere Energieform, z. B. Wärme, umgewandelt. Zum anderen handelt es sich um Reflexionen oder Ablenkungen, bei denen die auftreffende Strahlung in eine andere Richtung umgelenkt wird. Metallene Körper sind als Leiter besonders gut geeignet, elektromagneti­ sche Strahlen zu reflektieren. Diese Erscheinung wird bei der Verwendung des Radars ausgenutzt. Dabei wird die reflektierte Strahlung des Senders durch den Empfänger, der entweder direkt neben dem Sender sich befindet oder mit diesem identisch ist, aufgefangen.

Um eine derartige Reflexion wie sie bei der Verwendung von Radar auftritt, zu vermeiden, muß die Gestalt des Körpers derart gewählt werden, daß die elektromagneti­ schen Wellen nicht in Richtung des Senders reflektiert werden, sondern seitlich in den Raum abgelenkt werden.

Jedoch ist zu bedenken, daß Reflexionen zum Sender dann erfolgen, wenn der Körper seitlich bestrahlt wird, be­ sonders ausgeprägt, wenn die zuvor genannten ablenkenden Flächen senkrecht getroffen werden. Somit ergibt sich der Nachteil bei aus Leitern bestehenden Körpern, daß sie für Radarwellen zum Teil gut erfaßbar sind. Kein metallischer Körper kann derart gestaltet sein, daß er an all seinen Oberflächenstellen so abgewinkelt ist, daß elektromagnetische Wellen im Radarbereich vollständig in den umliegenden Raum reflektiert werden. Somit ergeben sich immer Oberflächenpartien eines Körpers, die durch Radar erfaßbar sind.

Es stellt sich erfindungsgemäß die Aufgabe, eine Vor­ richtung zu schaffen, mit deren Hilfe eine Reflexion elektromagnetischer Wellen im Bereich von 10 MHz bis 1 THz unterdrückt werden kann, wobei gleichgültig ist, aus welcher Richtung der entsprechende Körper, d. h. die entsprechende Reflexionsfläche bestrahlt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die aus einem oder mehreren Elementen besteht, die jeweils wenigstens zwei spiegelsymmetrisch oder um 180 Grad drehsymmetrisch ange­ ordnete, elektrische Leiter besitzen. Bei den Widerstandsleitern ist es prinzipiell gleichgültig, aus welchem Material die Leiter bestehen, so kann es sich um Metall, Graphit, Kohlepulver, Ruß handeln. Die Elemente sind dann besonders wirkungsvoll, wenn sie aus Leitern bestehen, die exakt spiegelsymmetrisch oder drehsym­ metrisch ausgestaltet sind. Ein Abweichen von der genauen Form führt zu einer Verminderung der Reflexionsunter­ drückung. Die äußere Form eines Einzelelementes sollte dabei die Größe einer halben Wellenlänge nicht wesentlich unterschreiten. Es ist bekannt, daß derartige elektromag­ netische Wellen auch negative Wirkungen auf den Menschen besitzen, so daß bei einer dauernden Bestrahlung mit die­ sen elektromagnetischen Wellen bleibende gesundheitliche Schäden auftreten. Mit Hilfe dieser Vorrichtung ist eine Unterdrückung dieser Wellen möglich.

Die Vorrichtung entfaltet ihre volle Wirkung erst dann, wenn mehrere Elemente miteinander kombiniert werden. Jedoch ist herauszustellen, daß die Grundeinheit der Vorrichtung das zuvor genannte Element ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung derart gestaltet, daß mehrere Elemente in einer Ebene rosettenförmig angeordnet sind, wobei die Elemente eine gemeinsame Drehsymmetrieachse besitzen und durch Zwi­ schenräume voneinander getrennt sind. Bei dieser Ausfüh­ rung muß man sich die einzelnen Elemente, die aus Leitern bestehen, um ein Zentrum ausgerichtet vor­ stellen. Sie sind dabei in einer Ebene angeordnet und durch Zwischenräume voneinander getrennt. Dabei ist es möglich, daß die einzelnen Elemente im Zentrum der Roset­ te, d. h. auf der Drehsymmetrieachse liegend miteinander elektrisch in Kontakt stehen. Jedoch ist dieser elektri­ sche Kontakt nicht obligatorisch.

Vorteilhafterweise können die rosettenförmig angeordneten Elemente dabei einen Kreis bilden. Die Kreisform führt dazu, daß die elektromagnetischen Wellen nicht in eine andere Richtung konzentriert weitergeleitet werden. Hier­ durch ergibt sich die beste Form, möglichst gleichmäßig die Reflexionen zu unterdrücken. Jedoch sind auch andere Anordnungen der Elemente denkbar, wie Quader oder Ovale, die jedoch den Nachteil mit sich bringen, die Reflexion schwächer zu unterdrücken, dafür aber eine bessere Fächen­ abdeckung durch Elemente als Folge haben.

Zur Erzielung einer optimalen Reflexionsunterdrückung ist es vorteilhaft, daß die Zwischenräume zwischen den roset­ tenförmig angeordneten Elementen gleichmäßig ausgebildet sind.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrich­ tung derart gestaltet sein, daß wenigstens zwei Elemente hintereinander angeordnet sind, wobei die Symmetrieachsen der Elemente im wesentlichen auf einer Linie liegen. Wenn dabei die einzelnen Elemente, vorzugsweise in kreisförmi­ ger Rosettenform, sehr flach gehalten werden, ist die Vorrichtung so aufgebaut, daß die Elemente mit ihren Rosetten Stapel bilden. Derartige Stapel sind besonders wirkungsvoll. Um eine Optimierung der Reflexionsunter­ drückung zu erzielen, ist es erforderlich, daß die Dreh­ symmetrieachse der untereinander identischen Elemente zusammenfallen, wobei Leiter über Leiter und Zwischenraum über Zwischenraum zu liegen kommt. Eine exakte Positio­ nierung der Elemente übereinander führt zu einer Intensi­ vierung der Wirkung. Aus räumlichen Gründen ist es wei­ terhin vorteilhaft, wenn derartige Leiter möglichst flach gehalten werden, um einen Stapel aus einer Vielzahl von rosettenförmig angeordneten Elementen zu ermöglichen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, daß die untereinander identi­ schen Elemente in gleicher Ebene angeordnet sind, wobei die Drehsymmetrieachsen der Elemente parallel verlaufen. Durch die Parallelanordnung der einzelnen Elemente in einer Ebene ist es möglich, größere Flächen abzudecken, als die Elemente selbst an Ausmaß besitzen. Durch eine derartige Parallelanordnng können somit Flächen von recht großen Körpern abgedeckt werden, so daß sie aufgrund der Reflexionsfähigkeit nicht mehr erfaßbar sind. Derartige Körper sind somit durch die Vorrichtung abgeschirmt, elektromagnetische Wellen werden nicht in unerwünschter Weise abgelenkt.

Besonders wirkungsvoll ist die Vorrichtung dann, wenn rosettenförmig angeordnete Elemente als Scheiben in Sta­ pelform vorliegen und eine Vielzahl diese Stapel neben­ einander angeordnet sind.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Leiter flä­ chig ausgebildet ist, um eine Vielzahl an Elementen in einer dünnen Schichtung anzuordnen. Hierdurch ergibt sich eine Materialeinsparung, ohne dabei die Wirkung der Re­ flexionsunterdrückung zu erniedrigen.

In einer anderen Ausführung können gegenüberliegende, zueinander symmetrische Leiter miteinander elektrisch verbunden sein. Weiterhin können die Leiter massiv, innen hohl oder lediglich als Gitterwerk ausgebildet sein.

Zur Veranschaulichung der Erfindung werden beispielhaft Ausgestaltungen der Vorrichtung in den Zeichnungen darge­ stellt. Weiterhin wird die Versuchsanordnung und die grafische Darstellung des Meßprotokolls abgebildet, die die Wirkung der Vorrichtung veranschaulichen. Es zeigen die Figuren im einzelnen

Fig. 1 perspektivische Darstellung eines Elementes,

Fig. 2 perspektivische Darstellung von als Rosette angeordneten Elementen,

Fig. 3 perspektivische Darstellung eines Stapels ro­ settenförmiger Elemente,

Fig. 4 perspektivische Darstellung von in einer Ebene angeordneten rosettenförmigen Elementen,

Fig. 5 perspektivische Darstellung eines weiteren Ele­ mentes mit elektrisch verbundenen Leitern,

Fig. 6 Versuchsanordnung eines Senders, Empfängers, einer Reflexionsfläche und einer austauschbaren erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7a Dämpfung der Reflexion mit einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung,

Fig. 7b Dämpfung der Reflexion mit einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung, bei der die Stapel der Ro­ settenelemente nicht justiert sind,

Fig. 7c ausbleibende Dämpfungen der Reflexionen bei Kontroll-Materialien.

Die Fig. 1 stellt ein Element 1 der Vorrichtung 100 dar. Dieses Element 1 besteht aus zwei Leitern, die in diesem Fall aus Kohlepulver bestehen. Diese Leiter sind zueinander drehsymmetrisch, wobei je ein Leiter ein spitzes, zur Drehachse 3 gerichtetes Teil und ein zur Peripherie wei­ sendes stumpfes Teil besitzt, welches Teil eines Kreis­ bogens ist. Je ein Leiter sieht wie ein Tortenstück aus, jedoch besitzt der Leiter nur eine geringe Höhe. Die beiden sich gegenüberstehenden Leiter sind dabei mög­ lichst symmetrisch ausgebildet, wie es aufgrund von exak­ ten Reproduktionsverfahren möglich ist.

In der Fig. 2 ist eine Ansammlung von mehreren Elementen zu sehen, die eine gemeinsame Drehachse 3 bilden. In diesem Fall sind drei Elemente 1, 1′ und 1′′ zu erkennen, die je mit ihrem spitzen Teil 4, 4′ und 4′′ zu der Dreh­ achse 3 weisen. Zwischen den einzelnen Elementen 1, 1′ und 1′′ liegen Zwischenräume 6, 6′ und 6′′, die genau gleich groß ausgebildet sind. Eine Ansammlung von Ele­ menten bilden eine Rosette 7, die vergleichbar mit einer kreisrunden, mit planer Ober- und Unterfläche versehenen Torte ist. Dabei stoßen die einzelnen Elemente 1, 1′ und 1′′ nicht direkt aneinander, sondern sie lassen Zwischenräume 6, 6′ und 6′′ frei. Dabei ist besonders darauf zu achten, daß die Elemente gleiche Ausmaße besitzen und weiterhin die Zwischenräume unter­ einander gleichgroß ausgestaltet sind.

Werden mehrere Rosetten 7, wie sie in der Fig. 2 darge­ stellt sind, übereinander angeordnet, ergibt sich ein Stapel 8, bei dem die Drehachsen der einzelnen Rosetten zusammenfallen (vgl. Fig. 3). Besonders bemerkenswert bei einem derartigen Stapel 8 ist, daß die Zwischenräume der einzelnen Rosetten in den verschiedenen Stockwerken direkt übereinander zu liegen kommen. Die Einzelelemente, die untereinander gleich dimensioniert sein sollen, lie­ gen somit übereinander, genauso wie die Zwischenräume in Reihe liegen. Somit besitzen die einzelnen Rosetten 7 innerhalb eines Stapels nicht beliebige Freiheitsgrade in bezug auf die Drehung um die Drehachse 3, sondern diese Drehung ist nur insofern möglich, als daß ein unteres Element direkt über einem oberen zu liegen kommt oder umgekehrt.

In der Fig. 4 ist die parallele Anordnung verschiedener Rosetten 7 in einer Ebene 9 zu sehen. Dabei besitzen die einzelnen Rosetten gleiche Ausmaße, ebenso sind die Ab­ stände der einzelnen Rosetten untereinander gleich.

Die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Elemente und Element­ zusammensetzungen können derart vorgenommen werden, daß parallel nebeneinander Stapel 8 aus Rosetten 7 bestehend angeordnet sind. Mit Hilfe dieser parallel angeordneten Stapel 8 lassen sich sehr gute Wirkungen mit der Vor­ richtung erzielen. In einem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel sind die einzelnen Leiter aus Kohlepulver bestehend. Hierbei handelt es sich um eine sehr dünne Schicht, wie sie im Zusammenhang mit Kopierern gebildet werden können. Die zwischen den einzelnen Rosetten befindlichen Schich­ ten bestehen aus Papier, d. h. aus Zellulose. Jedoch sind auch andere Materialien verwendbar, wobei lediglich darauf geachtet werden muß, daß es sich einerseits um einen Leiter bei den Elementen handelt und andererseits bei den Zwischenräumen um einen Nicht-Leiter. Dabei können die Zwischenräume sowohl zwischen den Elementen einer Rosette weiterhin zwischen Rosetten in paralleler oder in gestapelter Anordnung vorliegen.

In der Fig. 5 ist eine weitere Ausgestaltung eines Leiters 10 zu sehen, der in Form eines dünnen Drahtes 11 ausgebildet ist. Dieser Draht weist die Form einer in sich geschlossenen Triangel auf, deren spitzes Ende zum gegenüberliegenden Leiter weist, der drehsymmetrisch ausgebildet ist. Der Zwischenraum zwischen den beiden Leitern 10 und 10′ ist durch einen als Widerstand fungie­ renden Verbinder 12 elektrisch miteinander verbunden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die sich aus paralle­ len Stapeln mit Rosetten 7 gemäß den Fig. 2, 3 und 4 zusammensetzte, wurde in einer Versuchsanordnung ausge­ testet. Weiterhin wurden Kontrollmaterialien anstelle der Vorrichtung eingesetzt, um die Effektivität der Vorrich­ tung auszumessen. In der Fig. 6 ist eine entsprechende Versuchsanordnung aufgelistet, wie sie verwendet wurde. Es wurde ein Sender des Typs Klystron V290 C verwendet, der eine Leistung von 100 mW bei einer Frequenz von 10,2 GHz bei einem unmodulierten Signal besaß. Weiterhin wurde ein Filter im Bereich von 8-12 GHz verwendet (Type UE88, Hersteller Electronica Roma). Um den Strahl zu bündeln, wurde eine Muschelantenne vom Typ ZAG 1 verwen­ det. Der Empfänger, welcher parallel zu dem Sender ange­ ordnet war, besaß einen Empfangskopf mit abstimmbaren Hohlleiter R 100, welcher mit einem Filter für 8-12 GHz (Type UE88, Electronica Roma) ausgestattet war. Ebenso wie bei dem Sender handelt es sich bei dem Empfänger um eine Empfangsantenne, die als Radar-Muschelan­ tenne vom Typ ZAG 1 für 8-11 GHz ausgebildet war. Bei dem die Meßsignale anzeigenden Meßgerät handelt es sich um einen Spektrumanalyzer vom Typ TS-1916/UPM 84 A. Der Hersteller ist Polarad Electronic Instruments USA. Der Meßbereich geht von 10 MHz bis 62 GHz.

Sender und Empfänger, die parallel nebeneinander angeord­ net waren, besaßen einen Abstand von 3 m zu einer Reflexionsplat­ te, die mit Hilfe einer Drehvorrichtung um eine senkrech­ te Drehachse drehbar war. Die Größe der Reflexionsplatte betrug 64 × 42 cm. Mit Hilfe des Senders war eine starke Bündelung und Ausrichtung der Radarwellen möglich. Wäh­ rend der Messung war der Sender auf 10 GHz eingestellt, ebenso auch der Empfänger, weiterhin war der Spektrumana­ lyzer auf dieselbe Frequenz abgestimmt. Die erfindungsge­ mäße Vorrichtung bestand aus einer Anordnung von 140 parallel angeordneten Stapeln, wobei innerhalb eines Stapels 50 Rosetten sich befanden. Eine Rosette selbst bestand wiederum aus sechs Elementen, d. h. zwölf Lei­ tern. Die Dicke der Vorrichtung betrug 6,5 mm.

In der Fig. 7a ist das Ergebnis zu sehen, das er­ zielt wurde, wenn die Reflexionsplatte mit der zuvor geschilderten erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen war. Diese Vorrichtung befand sich auf der Reflexionsplatte, d. h. die Strahlen des Senders trafen direkt auf die Vorrichtung. In der Fig. 7a ist deutlich zu sehen, daß die Reflexion der Platte ohne Vorrichtung (dünne Linie) voll gewährleistet war. Definitionsgemäß betrug die Dämpfung bei einer senkrecht zu den Strahlen stehenden Platte ohne Vorrichtung 0 dB. Wurde die Reflexionsplatte um ihre Drehachse gedreht, wurde der Strahl derart reflek­ tiert, daß bei senkrechtem Auftreffen der Signale die voll­ ständige Reflexion vorlag, während bei anderen Drehwinkeln die Dämpfung etwa den Wert -30 dB besaß.

Dagegen wies die Reflexionsplatte mit einer darauf aufge­ brachten Vorrichtung der vorgenannten Art auch dann eine Dämpfung auf, wenn die Reflexionsplatte mit der aufge­ brachten Vorrichtung senkrecht (180°) zu den auffallenden Strah­ len ausgerichtet war. Hier betrug die Dämpfung etwa -26 dB. Die genaue Kurve der Dämpfung, ermittelt mit Hilfe der Vorrich­ tung, ist durch die Grafik dargestellt, bei der ein dicker Verbindungsstrich zwischen den einzelnen Meßpunkten ver­ wendet wurde.

Wenn anstelle der zuvor genannten Vorrichtung eine abge­ wandelte Vorrichtung verwendet wurde, bei der die Roset­ ten der einzelnen Stapel nicht genau übereinander ju­ stiert waren, ergaben sich andere Meß­ ergebnisse. Die nicht genau justierten Stapel entstanden dadurch, daß die einzelnen Drehsymmetrieachsen der Roset­ ten in den einzelnen Ebenen nicht genau zusammenfielen, sie wiesen eine seitliche Abweichung von bis zu 5 mm auf. Aus der Fig. 7b ist zu sehen, daß auch mit Hilfe der nicht justierten Stapel, d. h. mit der abgewandelten Vorrichtung eine gewisse Dämpfung zu erzielen war, die etwa den Betrag von -15 dB auch dann erzielte, wenn der Strahl senkrecht auf die Reflexionsplatte auftrat, auf der zu dem Sender gerichteten Fläche die abgewandelte (ver­ schobene Stapel) Vorrichtung angeordnet war.

Um sicherzugehen, daß die Reflexion nicht aufgrund des verwendeten Materials, sondern aufgrund der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung zurückzuführen war, werden zwei ver­ schiedene Materialien ausgetestet. Zum einen wurde weißes Papier und zum anderen einheitlich geschwärztes verwendet. Dadurch war sichergestellt, daß nicht das Papier oder die durchgehende Kohlepulverschicht der Kontrollvorrichtung die Dämpfung der Reflexion be­ wirken kann, sondern daß die nicht wahllose Ansammlung von Kohlepulver in Form der einzelnen Rosettenkopien für die Dämpfung verantwort­ lich waren. Wie aus der Fig. 7c zu ersehen ist, verläuft die Kurve des schwarzen und des weißen Papiers im wesent­ lichen parallel zu der Reflexionskurve der freien Re­ flexionsplatte. Wie bei dem Wert von 180° des Drehwinkels zu sehen ist, beträgt die Dämpfung bei der Verwendung von schwarzem oder weißem Papier lediglich -2 dB, ein Wert, der praktisch nicht von der direkten Reflexion abweicht. Anhand dieser zuletzt genannten Kontrollen mit Hilfe des schwarzen und mit Hilfe des weißen Papiers ist sicherge­ stellt, daß die Dämpfung nicht der Effekt des Papieres oder der Effekt der Kohlepulvereinfärbung ist. Vielmehr ist die individuelle und erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einzelelemente verantwortlich für die entsprechende Dämpfung.

Die Verwendung derartiger Vorrichtungen ist sehr vielfäl­ tig, sie ist besonders wirkungsvoll bei Strahlen im Be­ reich von 10 MHz bis 1 THz. Sowohl eine effektive Ab­ schirmung vor diesen Strahlen ist möglich als auch die Verbergung von reflektierenden Körpern vor den Strahlen. Diese Vorrichtung wäre daher optimal dafür geeignet, um Flugzeuge, Landfahrzeuge oder Schiffe vor einer Radar­ ortung unsichtbar erscheinen zu lassen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Unterdrücken von Reflexionen elektro­ magnetischer Wellen, insbesondere im Frequenzbereich von 10 MHz bis 1 THz, wobei die Vorrichtung vor einem Körper mit einer Reflexionsfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem oder mehreren Elementen (1) besteht, die jeweils wenigstens zwei spiegelsym­ metrisch oder um 180 Grad drehsymmetrisch angeordnete, elektrische Leiter (2) besitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elemente (1) in einer Ebene rosettenför­ mit angeordnet sind, wobei die Elemente eine gemein­ same Drehsymmetrieachse (3) besitzen und durch Zwi­ schenräume (6) voneinander getrennt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rosettenförmig angeordneten Elemente einen Kreis bilden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (6) zwischen den rosettenförmig angeordneten Elementen (1) gleichmäßig ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Elemente (1) hintereinander an­ geordnet sind, wobei die Symmetrieachsen (3) der Elemente im wesentlichen auf einer Linie liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsymmetrieachsen (3) der untereinander identischen Elemente zusammenfallen, wobei Leiter (2) über Leiter (2) und Zwischenraum (6) über Zwischen­ raum (6) zu liegen kommt.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untereinander identischen Elemente (1) in gleicher Ebene (9) angeordnet sind, wobei die Dreh­ symmetrieachsen (3) der Elemente parallel verlaufen.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (1) flächig ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegende, zueinander symmetrische Leiter (1) miteinander elektrisch verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (1) massiv sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter innen hohl sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (10, 10′) von einem Gitterwerk gebil­ det werden.