DE427600C

DE427600C -

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Publication number: DE427600C
Application number: DENDAT427600D
Authority: DE
Priority date: 1923-02-09
Also published as: US1816614A; GB211159A

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 20.APRIL 1926

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21a⁴ GRUPPE 46 (R 58856' VIIIJ21 a')

Radio Corporation of America in New York. Wellenantenne.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. Juli 1923 ab.

Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unionsvertrage vom 2. Juni 1911 die Priorität auf Grund der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 9. Februar 1923 beansprucht.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung" einer Antennenanlage für drahtlose Nachrichtenübermittlung, wie sie unter dem Namen der Wellenantenne von Beverage in der Praxis bekannt ist. Der Zweck der Erfindung besteht darin, die großen Dimensionen der Bcverageantcnne zu verkürzen und gleichzeitig eine gute Richtwirkung beizubehalten. Während bei der ursprüngliehen Beverageantenne die Richteigenschaft von der Länge der Antenne abhängt, wird bcj der Antenne nach der Erfindung durch besondere Mittel erreicht, daß die Richtwirkung unabhängig von der Länge der Antenne ist, so daß der praktische Vorteil erzielt wird, daß die Antenne weniger ausgedehnt und billiger herzustellen ist, als es die bisher ge bräuchlichen waren.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen die Abbildungen in der beiliegenden Zeichnung.

Abb. i, die die bekannte »Wellenantenne« λ on Beverage zeigt, besteht aus einem verhältnismäßig langen Draht 1, der in verhältnismäßig kleinem Abstand über der Erde aufgehängt und an dem einen Ende bei 3 durch einen Widerstand 2 und an dem anderen Ende bei 7 durch die Selbstinduktionsspule 4 geerdet ist. Mit dieser Spule 4 ist eine zweite Spule 5 induktiv gekoppelt, die mit dem Empfänger R verbunden ist. Die Sendestationen A und B sind in der Antent.enebene gelegen geflacht; die Pfeile A' und B' deuten die Richtung der Signale an.

Durch Versuche hat man gefunden, daß die -Änderungen der Antennenlänge eine Charakteristik gemäß Abb. 3 ergeben. Man erkennt, daß der Strom am Ernpfangsendc, d. h. an dem von der Sendestation entfernt liegenden Ende, mit der Länge der Antenne wächst. Dieses Anwachsen wird natürlich nicht unendlich groß werden, da die Verlusie in der Antenne mit ihre Länge zunehmen. Andererseits zeigt der Strom am rückwärtigen Ende, d. h. an dem Ende gegen die Sendestation, eine ganz abweichende Charakteristik. Man erkennt, daß SI rom bei ^x/₄ Wellenlänge zu einem Maximum ansteigt und bei ¹I₂ Wellenlänge zu einem Minimum abfällt. Diese Schwankung wiederholt sich perio-(lisch.

Da die vorliegende Erfindung sich gerade auf diese Wirkung der Wellenantenne bezieht, soll diese Charakteristik mehr im einzelnen betrachtet werden. '

Bezugnehmend wieder auf Abb. τ, so sei (I χ ein Differentialstück der Antenne au irgend einem Punkte und d x' ein anderes Differcntialstück zwischen d .rund dem Emp-fanger; es sei ferner die Antenne genau eine Wellenlänge lang. Angenommen, daß die Wellen von der Sendestation A ausgestrahlt werden und an der Antenne in der Pfeilrichtung A' vorbeigehen; angenommen

ferner, daß die Wellengeschwindigkeit längs dem Draht, der die Frequenz der Sendestation A hat, dieselbe ist, wie die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Raumwcllen, die von der Station A ausgestrahlt werden. Das Differential der von dem kleinen Querschnitt d χ aufgenommenen Energie werde durch den Vektor dE in Abb. 4 dargestellt. Diese Energie läßt ein StromdifTerential dl entstehen, das den Draht 1 herab nach dem Empfänger R fließt.

Nun kann offenbar die Antenne als in eine unendliche Anzahl solcher Differentialstücke unterteilt angesehen werden, von denen jedes abwechselnd einen Teil der Energie d E von der Raumwclle absorbiert, wobei jeder dieser aufgenommenen Energieteile als die Ursache eines Stromes d J betrachtet werden kann, der bei 7 durch die Spule 4 zur Erde fließt.

Um ein klares Bild von der Wirkung dieser Stromdifferentiale im Empfänger zu bekommen, soll das Differentialstück d x' betrachtet werden, das an einem beliebigen Punkte zwischen d χ und dem Empfängerende der Antenne I liegen möge.

Offenbar wird die Energie d E, die von dem Stück d x' aufgenommen wird, phasenungleich sein mit der Energie d E', die durch das Differentialelement d χ aufgenommen wird, und man erkennt, daß diese Phasenverschiebung von der Zeit herrührt, die die Raumwelle für den Weg \om Element dx nach d x' braucht. Wenn nun die durch das Element d χ aufgenommene Energie d E durch den Vektor d E dargestellt wird, kann man offenbar auch die Energie d E', die durch d x' aufgenommen wird, durch einen ähnlichen Vektor d E' darstellen, wo ψ der Winkel ist, der die Zeit darstellt, die die Raumwelle für den Weg von d χ nach d x' biaucht. Diese Vektoren können auch als Darstellung der Ströme dJ und dl' betrachtet werden, die von solchen absorbierten Energieteilen herrühren. Man erkennt jedoch, daß das Stromdifferential d J, das sich ilängs des Drahtes 1 fortbewegt, genau um denselben Betrag außer Phase kommt, da angenommen war, daß die Geschwindigkeit der Stromfortpflanzung längs dem Draht dieselbe ist, wie die der Raumwelle gegenüber der Antenne. Man erkennt so, daß der Strom d J'', der durch die Energie d E verursacht ist, mit dem Strom d J in Phase ist, und da diese Elemente d χ und d x' in ihrer 1 agc nicht beschränkt sind, erkennt man, daß solange die Annahme über die Geschwindigkeiten zutrifft, die in der Fortpflanzungsrichtung der Raumwelle verfließenden Ströme, die durch die von den Elementen d χ und d x' aufgenommenen Energieteile \ erursacht werden, immer 111 Phase sein w erden. Dieses ist deutlicher in Abb. 5 dargestellt, in der die Vektoren a, V, c, d' usw. die Ströme darstellen, die in den um ¹I₁₂ Wellenlänge übereinander liegenden Punkten a, b, c, d, usw. fließen und nur von der Energie herrühren, die von dem Antennenelement an diesen besonderen Punkten aufgenommen ist.

Die Resultante kann durch E₁. gemäß Abb. 5 dargestellt werden, in der jeder der Vektoren a, b', c', d' usw. um einen Winkel kleiner als 360⁰ proportional zum Abstand der Punkte a, b, c vom Empfangsende gedreht ist. Z. B. wird der Vektor a' um 360° gedreht, da die Ströme von A um diesen Betrag beim Fließen nach dem Empfangsende 7 außer Phase gebracht werden. In ähnlicher Weise wird der Vektor V um einen Winkel von 360 ° —30⁰, c' um einen Winkel von 360⁰ —60° gedreht usw. Als Ergebnis hiervon erkennt man, daß, wenn die Wellenfront sich parallel zu der Antenne bewegt und die Geschwindigkeit der Welle im Raum dieselbe ist wie die Geschwindigkeit der Ströme im Draht, dann die Ströme, die von der von der Antenne aufge-. nommenen Energie herrühren, an allen Punkten in Phase sein werden und die Stronivektoren an derselben geraden Linie liegen und sich, um den resultierenden Strom zu eigeben, arithmetisch addieren werden. Es soll nun angenommen werden, daß \on der Station B Wellen von derselben Länge ausgestrahlt werden und sich in der Richtung des Pfeiles B' fortpflanzen, d. h. in der umgekehrten Richtung. Nun sollen die Bedingungen betrachtet werden, die in der Anienne auftreten. Offenbar liegt der Fall ebenso, als wenn der Empfänger R nach dem anderen Ende der Antenne bewegt wird und die Signale von A kommend betrachtet werden.

Es soll nun angenommen werden, daß das Differential d χ an den Punkt α an dem neuen Empfängerende 3 oder rückwärtigen Ende genommen werde. Man betrachte nun das Stromdifferential d J, das von der durch dieses Antennenelement aufgenommenen Energie herrührt, und ein anderes Stromelcment d J', das von dem Punkt b durch das Differential d x' aufgenommenen Strom herrührt, λλ obei der Punkt b ¹J₁₂ Wellenlänge weiter vorwärts liegt, so sieht man. daß zwischen der Energie, die an diesen beiden Punkten aufgenommen ist, ein Verzögerung ^- λ\ inkel von 30⁰ Hegt. Da jedoch der Sirom d J' nach dem Empfangsende 3 fließen muß, entsteht noch ein weitei er Verzögerungen inkel von 30⁰ durch die Zeil, du der Strom braucht, um zu diesem Punkt zu fl'cßen; das Ergebnis hiervon ist, daß diese

beiden Ströme an dem Ende 2 um 60" außer Phase sind.

Bezugnehmend nun auf Abb. 6 ist der Vektor a' der Strom am Empfangsende 3, der von dem benachbarten Antennenelemente herrührt; b' der Strom bei 3, herrührend λ on dem Element bei b, ¹J₁₂ Wellenlänge vom Ende 2; c der Strom bei 3, herrührend von dem Element ¹I₀ Wellenlänge; d' der Strom, herrührend von dem Element */₄ Wellenlänge von 3; e' der Strom, herrührend von dem Element ^]/_s Wellenlänge von 3 usw. Man erkennt so, daß die Stromvektoren, die die Ströme an dem Kombinationspunkt darstellen, nicht mehr auf derselben geraden Linie liegen, sondern symmetrisch um einen Kreis derart verteilt sind, daß sic sich aufheben und eine Nullresultante ergeben; daß ferner für eine Antenne, eine Wellenlänge lang, die Ströme am Rande durch Vektoren dargestellt werden, die zwei konzentrische Kreise darstellen; d. h. die Vektoren werden durch eine maximale Drehung von 720 ° gedreht. Dies ergibt eine Nullresultante und zählt für Nullempfang bei Vielfachem von einer halben Wellenlänge, wie in Abb. 3 dargestellt ist.

Es soll aber hier darauf hingewiesen werden, daß die Dämpfung nicht in Rechnung gezogen worden ist, durch deren Wirkung die Länge der Vektoren abnimmt. Durch die Dämpfung wird jedoch die die Enden der Vektoren verbindende Linie von einem Kreis in eine Spirale transformiert, die abgewickelt (He übliche hyperbolische Dämpfungskurve über eine Sendelinie darstellen würde. Das Ergebnis davon ist, daß der Empfang am rückwärtigen Ende nicht genau gleich Null ist, sondern dort noch ein kleiner Betrag unausgeglichen bleibt, der von der Dämpfung herrührt. Dieser ist jedoch für verhältnismäßig kurze Antennen sehr klein und kann für die meisten Zwecke vernachlässigt werden.

Nunmehr soll (Abb. 8) der Fall einer Welle zv-w betrachtet werden, die sich in der P.ichtung des Pfeiles W unter einem Winkel 0 mit der Antenne bewegt. Wenn u die Wellengeschwindigkeit im Raum ist, w ird offenbar die Geschwindigkeit ζϋ, mit der die Raumwelle sich längs des Drahtes fortbewegt, nicht mehr dieselbe sein, wie die Geschwindigkeit durch den Raum, vielmehr wird s^;e

,. sein u-see. 0 = " Diese Geschwindig-

^VJ cos λ ^ö

keit ändert sich mit dem Winkel 0, bis 0 <jO° wird, wo die Geschwindigkeit n' unendlich und die von der Antenne aufgenommene Energie Null wird.
Es ist ferner zu bemerken, daß die von jedem Leitungsdifferential herruhrcide Energie nicht mehr wie vorher d E ist, sondern (/ E · cos 0 wegen der Tatsache, daß dab Loitungsdifferential als eine kleine Schleife betrachtet werden kann, die unter einem Winkel zu der Raumwelle liegt.

Abb. 9 zeigt die Richtkurve dieser Antenne bei Wellen, die unter irgendeinem Winkel 0 auftreffen. Man erkennt aus dieser Abbildung, daß dieser Antennentyp ganz scharf gerichtet ist besonders bei Signalen, die 180° in der Phase verschoben sind. Unter Bezugnahme auf Abb. 3 erkennt man aber, daß die Antenne, wenn man davon Gebrauch machen will, wenigstens ¹J₁ Wellenlänge oder ein ganzes Vielfaches einer halben Wellenlänge lang sein muß. Es können nun Umstände eintreten, die den Bau einer Antenne von solcher Länge verhindern, und es ist unter diesen Umständen und vom Standpunkt der Billigkeit wünschenswert, eine Antenne mit derselben Richtkurve gemäß Abb. 3 zu erhalten, die aber nur ^x/₄ bis ¹Z₈ Wellenlänge lang ist. Eine normale Antenne, ^x/₄ Wellenlänge lang, hat jedoch eine Richtlome gemäß Abb. 10, und man erkennt, daß die kleinen Schleifen in Abb. 9 eine verhältnismäßig große Schleife für Empfang am Rückende zur Folge haben. Zwar ist diese Schleife nicht so lang wie die Schleife für Empfang am vorderen Ende, jedoch müssen, um zwischen Vorder- und Rückempfang zu unterscheiden, Mittel vorgesehen werden, um den Empfang vom Rückende durch einen Ausgleich auszuschneiden, der die Stärke der Vorder signale beschneidet.

Wenn man nun wieder zu der Vektoranahsis des Problems zurückkehrt, so kann durch ein ähnliches Verfahren, wie das oben angewandte, gezeigt werden, daß die am Rückende in ¹^ Wellenantenne kombinierten Ströme durch Vektoren dargestellt werden können, die halbe Kreise bilden, wie in Abb. 7 gezeigt ist, deren Resultanle R₁. ist. Dies erklärt auch, warum die Fläche der rückwärtigen Schleife nicht so groß ist, als die der vorderen Schleife. Dieses rührt daher, daß die Stromvektoren für Empfang am vorderen Ende in derselben geraden Linie liegen, während die Vektoren für rückw'irtigen Empfang auf einem Halbkreise liegen. Offenbar kann man Nullempfang am rückwärtigen Ende erhalten, wenn es durch irgendwelche Mittel möglich ist, diesen Halbkreis sozusagen in einen vollständigen Kreis zu verändern, um so dafür zu sorgen, daß die Resultante dieser Vektorströme Null wird.

Dies kann geschehen, indem man die Antenne so lädt, daß die Geschwindigkeit der Stromfortpflanzung längs der Leitung gerin ger ist, als die scheinbare Geschwindigkeit der Raumwelle längs dem Draht, wodurch

dem Strom eine größere Verzögerung gegeben wird; man erkennt aber, daß es nicht genügt, die Antenne auf gut Glück zu belasten, was eine Vektorenverteilung geben v\ürde, wie in Abb. ii, wo die Vektoren über einen Sektor m η ο eines Kreises m 11 verteilt sind. Man erkennt, daß in dem Sektor ο in keine Vektoren sind, und daß die Resultanten dieser Vektorcnvertcilung einen Vektor E_r von beträchtlicher Größe hat. Wenn jedoch die Vektoren so verteilt werden könnten, daß sie die Fläche des Kreises gemäß Abb. \2 vollkommen bedecken, würde man am Rückende Nullempfang haben für jede bestimmte Antennenlänge und jeden Einfallswinkel 0.

Kehrt man nun zu der Betrachtung der eigentlichen Bedingungen für solchen Empfang zurück, so erkennt man, daß die zu

2.0 erhaltende Primärbedirigung eine Phasenverzögerung ist von 360⁰ oder einem ganzen Vielfachen davon zwischen den Strömen, die λ on der Energie aufgenommen sind in dem Abschnitt der Antenne, der dem Empfänger

■25 zunächst liegt und dem vom Empfänger entfernten Abschnitt. Wenn also P | —1 die

(i) ■*

Wellenperiode darstellt, muß die Zeit, die die Raumwelle braucht, um die Länge der Antenne zu passieren, im I die der Strom braucht, um zum Empfangsendc zurückzufließen, gleich diesem oder einem ganzen Vielfachen davon sein; d. h.:

I 7

L ₊ L

u ν

wo I die Antennenlänge, ν die scheinbare Geschwindigkeit der Raumwelle gegenüber dem Draht, und u die Geschwindigkeit der Ströme längs dem Draht ist. Durch weit ει es Umsetzen und Vereinfachen erhält man das Verhältnis

λ—Γ

In gleicher Weise kann man, wenn man für einen stärkeren Empfang am vorderen Ende eine längere Antenne wünscht, für 720⁰ Siromverschiebung am hinteren Ende rech-"cn. Unter diesen Bedingungen muß

I . I

gleich sein

2
f

2 · λ

So kommt man zu der Formel für NuIlcmpfang am rückwärtigen Ende in einer Antenne von jeder Länge, wo

ist, wo η eine beliebige ganze Zahl ist, und zwar ι für 360⁰ Phasendifferenz, 2 für 720⁰ Phasendifferenz usw. Wenn man die Wellengeschwindigkeit durch den Raum und den Winkel kennt, unter dem sie auf die Antenne auf treffen, kann man den Ladungsbetrag ausrechnen, der für jede Geschwindigkeit u der Ströme im Draht notwendig ist, um für jede Antennenlänge und für jeden Winkel Nullempfang am rückwärtigen Ende zu erhalten.

Gemäß der Erfindung werden aiso in den Zug der Antenne Wechselstromwiderstände (z. B. Selbstinduktionsspulen) eingeschaltet, die so bemessen sind, daß sich eine Geschwindigkeit der Drahtwellen ergibt, bei der NuII-tmpfang in dem vom Sender abgewendeten Ende der Antenne eintritt. Es sind durch · die einzuschaltenden Wechselstromwiderstände die Leitungskonstanten so zu ändern, daß eine Geschwindigkeit der Fortpflanzung der Drahtwellen erfolgt, die durch die oben abgeleitete Beziehung gegeben ist. Wie aus der Formel ersichtlich, wird der Effekt der einseitigen Richtwirkung für beliebige Längen der Antenne erzielt.

Claims

Patent-Ansprüche:

1. Wellenantcnne, dadurch gekennzeichnet, daß dm Zuge der Antenne Wechselstromwiderstände (z. B. Selbstinduktions ■ spulen) eingeschaltet sind, wodurch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Drahtwellen derart verändert wird, daß Nullempfang in dem einen Ende der Antenne erzielt wird.

2. Antenne nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Konstanten so geändert sind, daß sich eine Fortpflan-Zungsgeschwindigkeit für die Drahtwellen ergibt, die da gleich

ist (wo / die Länge der Antenne, ν die scheinbare Geschwindigkeit der Raumwelle gegenüber dem Draht, λ die scheinbare Wellenlänge in Luft und 11 eine ganze Zahl bedeutet).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.