DE404180C - Einrichtung zum Empfang drahtloser Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Empfangssystem für drahtlose Telegraphie und TeIephonie. Gemäß der Erfindung wird eine Antennenanordnung zum Empfang drahtloser Signale verwendet, die auf Grund neuer physikalischer Gesichtspunkte über die Aufnahme der elektromagnetischen Energie aus dem Strahlungsfelde konstruiert ist. Die Antenne wird als lange Horizontalantenne ausgebildet, die in der Richtung der Sendestation orientiert ist. Diese Antenne wird mit Mitteln ausgestattet, die eine Reflexion der Wellen ganz oder teilweise unterdrücken, so daß sich längs des Antennendrahtes fortschreitende elektromagnetische Wellen ausbilden, während bisher beim Empfang die aufgenommene Energie stets in Form von stehenden Wellen, die entweder durch die Eigenschwingung der Antenne oder durch Reflexionen entstanden, nutzbar gemacht wurde. Um diese Ausbildung stehender Wellen zu verhindern, wird gemäß der Erfindung das eine oder beide Enden der Antenne über einen Widerstand geerdet, dessen Betrag annähernd gleich dem Wellenwiderstand des Antennendrahtes ist. Die Länge dieser Art von Antennen ist sehr groß im Verhältnis zu den früher bekannten Anordnungen, so daß die Erregung der einzelnen Teile des Antennendrahtes durch die ankommenden Wellen demnach mit einer beträchtlichen Phasenverschiebung erfolgt. Solch eine Antenne mit der zugehörigen Erdrückleitung ist mit einem Lecherschen Drahtsystem zu vergleichen, welches nicht nur am Anfange, sondern seiner ganzen Länge nach erregt wird. Die Berechnung für die Stromverteilung ergibt, daß unter bestimmten Voraus-Setzungen, wie z. B. Vernachlässigung des M iderstandes des Antennendrahtes wie auch der Erdrückleitung, die Intensität des Stromes an dem von der Sendestation abgewendeten Ende mit der Antennenlänge wächst und, falls kein Strahlungswiderstand in Betracht käme, bei unendlicher Länge unendlich werden wird. Tatsäch-

lieh aber nimmt der Strom bei einer gewissen Länge der Antenne einen Maximalwert an, der dann eintritt, wenn die ausgestrahlte Energie gleich der aufgenommenen wird. Dieses stellt gewissermaßen einen Sättigungswert dar. Solche Antennenanordnungen sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. In Abb. ι bedeutet ι den Antennendraht, der in Punkt 2 über den W iderstand 5 und in Punkt 3 über den Empfänger 4 geerdet ist, wobei die Erdungswiderstände eben so gewählt sind, daß sich fortschreitende Wellen ausbilden. 6 gibt die Sendestation an. Abb. 2 stellt dieselbe Anordnung dar mit dem Unterschied, daß an Stelle der Erdrückleitung eine besondere Leitung gelegt ist, um den W iderstand zu vermindern. In Abb. 3 gibt die Kurve B die Stromstärke im Empfänger in Abhängigkeit von der Antennenlänge an. Wie ersichtlich, ist mit der vorstehend beschriebenen ao Anordnung eine sehr große Empfangsintensität zu erzielen. Ganz allgemein ergibt die Rechnung, daß die Stromverteilung längs der Antenne aus der Superposition zweier Wellen entsteht, von denen die eine mit der Geschwindigkeit der ankommenden elektromagnetischen Wellen im Räume, die andere aber mit der G eschwindigkeit der Drahtwelle fortschreitet. Die Stromverteilung, wie sie in der Kurve B angegeben ist, entspricht der Annahme, daß die Welle im Räume mit derselben Geschwindigkeit fortschreitet wie die Welle längs des Antennendrahtes; eine Annahme, die den Verhältnissen dann entspricht, wenn die Antenne aus einem homogenen Draht von nicht übermäßig großem W iderstand oder künstlich vergrößerter Kapazität besteht. Wird dagegen als Antennendraht ein Draht von hohem W iderstand oder mit erhöhter Kapazität, was beispielsweise durch L^Tmgeben mit Gummi erreicht wird, verwendet, so ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit bedeutend langsamer und kann z. B. 75 und sogar 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit ausmachen. In diesem Falle ergibt sich eine Stromverteilung längs der Antenne, die von der Differenz der Geschwindigkeit der Raumwelle und der Drahtwelle abhängig ist. Während bei gleicher Geschwindigkeit eine algebraische A ddition für die Stromwerte dieser beiden Wellen erfolgt, addieren sich die Ströme im Falle ungleicher Geschwindigkeiten vektoriell; denn, wie ersichtlich, werden sich die beiden Wellen, die Welle im Äther und die Drahtwelle, auf einer bestimmten Strecke verstärken, dann aber außer Phase geraten und sich schwächen, bis schließlich ein Punkt erreicht wird, an welchem die eine Welle gegen die andere so weit vorgeeilt ist, daß beide sich in Gegenphase befinden, so daß sich ein Nullwert für den Strom an diesem Punkte der Antenne ergibt. Weiterhin tritt von neuem eine Verstärkung auf usw. Die Stromverteilungen bei angleichen Geschwindigkeiten sind durch die Kurven H und C in der Abb. 3 gegeben. Die Kurve H bezieht sich dabei auch auf den Fall, wo der Unterschied in den Geschwindigkeiten verhältnismäßig gering ist, so daß die Gegenphase der beiden Wellen erst nach einer großen Strecke erreicht wird. In der Kurve C ist die Differenz der Geschwindigkeiten größer, so daß sich die Maxima und Nullwerte des Stromes in kürzeren Abständen wiederholen. W ie aus der Abb. 3 folgt, bekommt man die maximale Intensität beim Empfang dann, wenn die Wellengeschwindigkeiten einander gleich sind. Eine Antennenanordnung, die so getroffen ist, daß die Wellengeschwindigkeiten verschieden sind, , bietet jedoch andere, nicht zu unterschätzende Vorteile, die weiterhin erläutert werden. Auch ist es ersichtlich, daß es für den Fall verschiedener Wellengeschwindigkeit in bezug auf die Intensität des Empfangs keinen Zweck hat, die Antenne länger zu machen als bis zum ersten Maximum des Stromes. In der beschriebenen ^; Nutzbarmachung der verschiedenen Geschwindigkeiten der Drahtwellen und der Raumwellen liegt ebenfalls ein neues Kennzeichen der Er-ι findung. Diese Antennenart hat eine sehr starke Richtwirkung und wird mit Erfolg für Richtempfang verwendet. W ie aus der Kurve B der ' Abb. 3 hervorging, erhält man die maximale Intensität im Empfänger dann, wenn die Geschwindigkeiten der Drahtwelle und der Raumwelle einander gleich sind. Für Wellen, die aus einer anderen Richtung als der Antennenrichtung, also beispielsweise aus einer Richtung, die unter einem V\ inkel Q zur Antennenrichtung liegt, ankommen, pflanzt sich die Erregung der Antenne durch die Raumwelle mit einer Geschwindigkeit, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, fort, nämlich mit der Geschwindigkeit v=— ^L--r\, wenn c die Lichtgeschwindigcos -Q 00

keit bedeutet. Die Drahtwelle aber, deren Fort-' pflanzungsgeschwindigkeit nur von den Konstanten der Leitung abhängt, ist unabhängig von der Richtung der auf treffenden W eile, d. h. für M eilen, die in der Richtung der Antenne fortschreiten, haben nach unserer Annahme die Raumwelle und die Drahtwelle dieselbe Geschwindigkeit ; für Wellen aber aus anderer Richtung sind die G eschwindigkeiten verschieden und somit die Intensität des Stromes für alle anderen Richtungen geringer.

Ist es erwünscht, Signale aus einer Station zu empfangen, die nicht in der Antennenrichtung liegt, so müßte man nach dem Vorhergesagten die ganze Antenne umorientieren, um eine günstige Empfangsintensität zu erhalten. Dieses ist natürlich bei der großen Länge der Antenne nicht möglich. Nach dem Vorhergesagten ließe sich eine große Empfangsintensität für Wellen, die aus einer um den V\ inkel Q gegen die Antenne gedrehten Richtung kommen, dann erzielen,

wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Phase der Drahtwelle beschleunigt werden könnte, d. h. auch gleich der scheinbaren Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Raumwelle gleich

■■'■■ yrwerden würde. Die weitere Ausgestalcos · Q.

tung der Erfindung besteht nun darin, daß durch ,Einschalten von Kombinationen von Selbstinduktionen und Kapazitäten in gewissen Abständen in die Antenne oder durch Anbringung von Nebenschlüssen, die aus Kombinationen von Selbstinduktionen und Kapazitäten gebildet werden, sich eine beliebige Einstellung der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Drahtwellen erreichen läßt. In Abb. 4 und 5 sind solche Antennenanordnungen dargestellt. In Abb. 4 bedeuten 7 die eingeschalteten Spulen und 8 die eingeschalteten Kondensatoren. In Abb. 5 sind 11 und 12 die Kapazitäten und induktiven Nebenschlüsse. Auf diese W eise läßt sich eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit für die Draht-

welle herstellen, die gleich -r= ist und so-

^G cos · Q

mit auch für eine andere Richtung eine verstärkte Strominten, ität erzielt werden kann. Dadurch, daß gemäß der Erfindung die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Drahtwelle verschieden von derjenigen der Raumwelle gemacht werden kann, sei es durch Verwendung eines Antennendrahtes von hohem Widerstand oder vergrößerter Kapazität oder aber durch Einfügung von Impedanzen in der oben beschriebenen Art, können längs der Antenne in bestimmten Abständen Nullwerte für den Strom in der Art, wie es durch die Kurve C der Abb. 3 angegeben ist, erzielt werden. Damit läßt sich ein selektiver Empfang erreichen. V\ ird der Empfänger an so einen Nullpunkt gebracht, so wird er von den ankommenden W eilen einer bestimmten Frequenz nicht beeinflußt. Für. eine Welle anderer Frequenz herrscht aber kein Nullstrom an dieser Stelle und somit kann dieselbe empfangen werden. Die oben beschriebenen Verfahren zur Einstellung der Geschwindigkeit ergeben verschiedene Geschwindigkeiten für verschiedene Frequenzen. Dieses erlaubt die Erzielung von Auswahlfähigkeit der betrachteten Antennenanordnung auf Frequenzgrundlage zusätzlich zur Auswahlfähigkeit auf Grund der Richtungseigenschaften der Antenne. Eetrachtet man eine Antenne dieser Art, die wie ein gummibekleideter Draht oder ein Eisendraht normal langsam ist, aber durch Reihenkondensatoren für eine besondere Frequenz beschleunigt ist. Für statische Impulse von steiler Wellenstirn werden die Reihenkondensatoren praktisch als Nullimpedanz wirken, und die Impulse werden sich längs der Leitung mit ihrer normalen geringen Geschwindigkeit fortpflanzen.

In ähnlicher Weise würden zur Beschleunigung verwendete Nebenschlußinduktanzen als unendliche Impedanzen für statische Impulse wirken, und die statische Welle würde sich mit der geringen normalen Geschwindigkeit der Leitung fortpflanzen. Dies bedeutet, daß der statische Strom in der Antenne durch Interferenz mit der statischen Welle im anderen Medium abwechselnd anschwillt und schwindet. Wenn nun zu-

' fällig in der Statik eine gewisse, besonders wirksame Frequenz vorhanden ist, die hinsichtlich Erregung des Empfängerabstimmungskreises

, störend ist, so ist es möglich, den Empfangsapparat an einem Interferenzknoten für Statik anzuordnen. Das Zeichen wird, da es eine stetige V eile ist, sich fortschreitend bis zu einem hohen Wert an dem für den Empfänger gewählten Punkt entwickeln. In Abb. 6, 7, 8, 9, 10 und 11 sind andere Ausführungsformen der Antenne angegeben. Die Schaltungen nach diesen Zeichnungen enthalten die Kennzeichen der A nt ennenanordnung gemäß der Erfindung, d. h. wie den W iderstand 5 zur Verhinderung der Reflexion, so auch Mittel zur Einstellung "einer gewünschten Phasengeschwindigkeit für die Drahtwelle.

In manchen Fällen wird es erwünscht sein, die Empfangsstation in einem Abstande von der Linie der langen Antenne anzuordnen. Die auf der Antenne entwickelten elektrischen W eilen können zur Empfangsstation über irgendeinen guten 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 (Abb. 12) in geeigneten Zwischenräumen abwechselnd in ihrer Lage vertauscht sind. Ist der eine Leiter mit der Antenne und der andere direkt mit 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 W iderstand gleich dem W ellenwiderstand der Antenne einschaltet. Ein solcher \A iderstand 5 ist in Abb. 12 angedeutet. Ein anderes Verfahren zur Gewährleistung'einer ausgeglichenen Leitung bedingt die Verwendung eines Umformers 14 (Abb. 13) zwischen Antenne und Ubertragungsleiter. Letztere kann dann als besondere Antenne oder Hilfsantenne verwendet werden, indem eine Verbindung mit dem n₀ neutralen Punkte der Umformerwicklung 15 an der Empfangsstation hergestellt wird. Eine ähnliche Verbindung kann, falls gewünscht, am anderen Ende hergestellt werden. Der Umformer 14 an der Vereinigung kann den nützliehen Zweck eines Ausgleiches der effektiven Wellenwiderstände der Antenne und der Übertragungsleitung erfüllen. Hierbei wird ein Aufwärts- oder Abwärtsumformer verwendet, wenn diese Impedanzen genügend abweichen, um eine merkliche Reflexion zu erzeugen.

Die Einstellung der Wellengeschwindigkeit

auf einer Antenne kann derart geschehen, daß nicht nur 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 Sendestation weist, deren Zeichen aufzunehmen sind, und daß eine zweite Sendestation von größerer Wellenlänge unter einem Winkel Q ίο zur Richtung der Aufnahmeantenne liegt. Für Zeichen von der ersten Station sollte die Wellengeschwindigkeit auf der Antenne die Lichtgeschwindigkeit sein, während für Zeichen von der

C zweiten Station die Geschwindigkeit ——γγ

ic " COS * \£

sein sollte, worin C die Lichtgeschwindigkeit bedeutet. Wird eine Antenne verwendet, deren natürliche Konstanten so sind, daß sich eine Wellengeschwindigkeit 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. Je größer die Werte von Induktanz und Kapazität sind, um so größer wird die Geschwindigkeit für die längeren Wellen. Somit können für Induktanz und Kapazität Werte gewählt werden, welche die gewünschte Geschwindigkeit ^C

für Zeichen von der zweiten

cos· Q.

Station ergeben, während sie die Geschwindigkeit für Wellen von der ersten Station unverändert lassen.

Claims (10)

P ATENT-Ansprüche:

1. Einrichtung zum Empfang drahtloser Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne als große Leitungsschleife und derart ausgebildet ist, daß die Stromverteilung nicht quasi stationär ist, und daß durch be- ■ sondere Mittel die Reflexion der Wellen ver- i hindert wird, so daß die Energie im wesent- j liehen in Form von fortschreitenden Wellen j aufgenommen wird. j

2. Einrichtung nach Anspruch r, dadurch i gekennzeichnet, daß die eine Seite der Lei- 1 tungsschleife durch die Erdleitung gebildet 1 wird. j

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch !

gekennzeichnet, daß an einem oder beiden Enden der Antenne ein Widerstand eingeschaltet ist, der annähernd gleich dem \^ ellenwiderstand des Antennendrahtes ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne so ausgebildet ist, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Drahtwellen merklich von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Raumwellen abweicht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennendraht sehr großen Widerstand hat, um die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Drahtwelle zu vermindern.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Antenne pro Längeneinheit vergrößert ist, um die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Drahtwelle zu vermindern.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, 4, 5 und 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines mit Gummi bekleideten Eisendrahtes

. als Antennendraht.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzimpedanzen in die Antennenleitung eingeschaltet oder als Verbindungszweige der Doppelleitung in bestimmten Abständen angeordnet sind zum Zwecke der Änderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Drahtwelle.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger an dem _go der Sendestation abgewendeten Ende der Antenne angebracht ist,

10. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4 zur Beseitigung von Störungen durch Wellen einer anderen Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger an einem Punkt der Antenne angeschlossen ist, in welchem für eine Störfrequenz der Strom Null ist.

ir. Einrichtung nach Anspruch 1 zur gleichzeitigen Aufnahme von zwei Wellen mit verschiedener Wellenlänge, von denen die eine in der Richtung der Antenne, die andere aber unter einem Winkel (ζ)) einfällt, dadurch gekennzeichnet, daß in die Antenne Selbstinduktionen und Kapazitäten in Reihe geschaltet sind, die so bemessen sind, daß sie sich für die in der Antennenrichtung ankommenden Wellen neutralisieren, für die zweite Welle aber eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Drahtwelle gleich γγ

(c = Lichtgeschwindigkeit) ergeben.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.