DE588587C

DE588587C - Richtantenne fuer kurze Wellen

Info

Publication number: DE588587C
Application number: DER81821D
Authority: DE
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1930-06-11
Filing date: 1931-06-05
Publication date: 1933-11-20
Also published as: NL35588C; BE380490A; FR704577A; US1974387A; GB373692A; BE280490A

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Richtantennensystem für Kurzwellen. Wird ein Antennendraht, dessen Länge eine Mehrzahl einer, halben Wellenlänge der Nutzwelle beträgt, in einer solchen Weise erregt, daß sich stehende Wellen ausbilden, so findet Überträgung vornehmlich unter räumlichen Winkeln statt, die durch symmetrische Kegel, deren Scheitel im Mittelpunkt des Antennendrahtes liegen, begrenzt werden.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur drahtlosen Übermittung als Antennen Leiterpaare zu benutzen, deren Länge groß im Verhältnis zur Nutzwellenlänge ist und die unter einem Winkel zueinander angeordnet werden. Es fand dann Strahlung längs der Winkelhalbierenden statt, und zwar wirkten diese Antennen im wesentlichen als Wellenantennen (Beverage-Antennen) unter Ausnutzung der in den Leitern fortschreitenden Energiewelle.

Bei einer Antenne gemäß der Erfindung werden zur Energieübertragung vornehmlich die sich in den Leitern ausbildenden stehenden Wellen ausgenutzt, und es wird der Winkel zwischen den beiden gegenphasig erregten Leitern entsprechend dem Winkel des ersten Strahlungsmaximums gegen die Richtung des Antennendrahtes im Strahlungsdiagramm gewählt. Erfindungsgemäß schließen die Leiter einen Winkel von 2 a miteinander ein, der durch die Größe bestimmt ist:

α = 50,9 It

-0,513

wobei λ die Nutzwellenlänge und I die Länge der Antennendrähte bezeichnet und die Verkehrsrichtung im wesentlichen in der Winkelhalbierenden des durch die von stehenden Wellen erregten Antennenleiter bestimmten Divergenzwinkels liegt.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung, die unter einem Winkel zueinander angeordneten Leiter, in ihrer Länge ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge der Nutzwelle, auszubilden. Ein Leiterpaar, das in der geschilderten Weise angeordnet ist, besitzt Strahlung nach beiden Richtungen, sowohl nach dem divergierenden als auch nach dem konvergierenden Ende der Leiter hin. Eine Anordnung mit einseitig ausgebildeter Strahlungscharakteristik läßt sich dadurch erzielen, daß in einem Abstande eines ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge von dem divergierenden Leiterpaar ein zweites, ahnliches Leiterpaar parallel angeordnet wird.

Dasselbe befindet sich in geeignetem Abstande in Richtung der Winkelhalbierenden der divergierenden Leiter. Dieses zweite, als Reflektor dienende Leiterpaar kann gespeist werden oder auch ungespeist sein. Um Bündelung der Strahlung in eine senkrecht zur Ebene der Leiter liegende Richtung, im allgemeinen also in derVertikallinie, zu erzielen, werden ähnliche Leiterpaare in parallelen ίο Ebenen zueinander angeordnet. Der Abstand der durch die beiden Leiterpaare bestimmten Ebenen ist zweckmäßigerweise mindestens eine halbe Wellenlänge.

Es ist auch möglich, für die Zwecke der weiteren Energiekonzentration Antennensysteme der geschilderten Art nebeneinander anzuordnen, wodurch Konzentration der Strahlungsenergie in einer Horizontalebene erzielt wird. Die Erfindung ist in zwölf Ab-2ö bildungen und Ausführungsbeispielen dargestellt.

Abb. ι a zeigt einen Leiterdraht 2, der lang ist im Verhältnis zu der Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Die Strahlung findet vornehmlich in Richtung der Achsen Y statt, die einen Winkel α gegen die Leiterrichtung einschließen. Begrenzt wird die Strahlung im wesentlichen durch zwei Kegel 4 und 6, die mit ihren Scheiteln in der Mitte des Leiters 2 zusammenstoßen. Ein genaues Strahlungsdiagramm zeigt Abb. ib, in welcher neben ' den die Hauptstrahlung wiedergebenden, längs den Achsen Y angeordneten Zipfeln eine größere Anzahl kleinerer Zipfel dargestellt sind. Die Anzahl Zipfel innerhalb eines Quadranten ist gleich der Anzahl Wellenlängen, welche die Länge des Antennendrahtes ausmachen, in diesem Falle fünf. Wie in der Abbildung gezeigt ist, ist die jeweilige Richtung des Feldes in zwei benachbarten Strahlungszipfeln entgegengesetzt.

Wird Strahlung längs der Achse XX (Abb. 2) beabsichtigt, so muß der Leiter einen Winkel α gegen diese Richtung bilden. Zu dem Zwecke, in weiterem Maße die Richtwirkung längs der Achse XX zu verstärken, finden erfahrungsgemäß zwei Antennendrähte Anwendung, welche je einen Winkel α gegen die Achse bilden, derart, daß die Richtung X und das Leiterpaar in einer Ebene liegen. Nach anderen Richtungen findet im wesentlichen Aufhebung der Strahlung statt, so daß eine Antennenanordnung gemäß Abb. 2 eine Strählungscharakteristik gemäß Abb. 3 in der Leiterebene besitzt.

Theoretische Überlegung zeigt folgendes: Der Antennendraht läßt sich als eine Anzahl sehr kurzer Herzscher Oszillatoren auffassen. Berechnet man das resultierende elektrische Feld in einem Punkte P, dessen Richtungsvektor einen Winkel Θ bildet, so ergibt sich der folgende Ausdruck, sofern sich der Punkt P hinreichend weit im Vergleich zur Antennenlänge entfernt befindet:

cos η

H =

t—COS© I

sin (9

Der Faktor η bezeichnet die Anzahl der halben Wellenlängen, welche die Länge des Antennendrahtes ausmacht. Diese Formel gilt für eine Antenne, deren Länge ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist. Für einen Antennendraht, dessen Länge ein gerades Vielfaches der halben AVellenlänge beträgt, gilt in ähnlicher Weise der folgende Ausdruck:

H =

. I π _ sin I η ■— cos (y

\ ²

sin©

Der Wert des Winkels in beiden Fällen, für welchen die durch die Gleichung ausgedrückte Größe ihren maximalen Wert annimmt, gibt die Größe des Winkels an, den der Antennendraht mit der gewünschten Fortpflanzungsrichtung XX bilden soll. In Abb. 12 ist in graphischer Darstellung die Größe des Winkels in Abhängigkeit von der in Wellenlängen ausgedrückten Antennenlange dargestellt. Die Darstellung erstreckt sich bis auf Antennen, deren Länge das I4fache der Nutzwelle beträgt. Für. praktische Zwecke ist die empirische Formel

/ l \ —0,513°

a = 50,9 (_Tj

hinreichend. Es bedeutet in der Gleichung I die Länge des Drahtes und λ die Länge der Nutzwelle. Findet als Antenne ein Paar divergierender Drähte Anwendung, so sind dieselben unter einem Divergenzwinkel zueinander anzuordnen, der das Doppelte des obengenannten Winkels α beträgt.

Anordnungen gemäß Abb. 2 besitzen doppelseitige Richtungscharakteristiken. Bei einer Anordnung gemäß Abb. 2 a ist eine Energieübertragungsdoppelleitung 10 in Verbindung mit zwei divergierenden Leitungen A und B vorgesehen. Die Leiter schließen mit der Winkelhalbierenden, längs welcher die Fortpflanzung der Energie stattfindet, den Winkel α ein. Die Leiter A, B sind an ihrem konvergierenden Ende miteinander verbunden. Ihr Zusammenschlußpunkt fällt auf die Achse XX. Die Verbindung der Antennen A und B mit der Übertrager leitung 10 erfolgt in ähnlicher Weise, wie Halbwellenlängedipoloszillatoren an Übertragerleitung an-■eschlossen werden. Wie in Abb. 2 b dargestellt, ist es aber auch möglich, daß die Leiter der Energieleitung 10 die Enden der linearen

Antennen A und B bilden, anstatt daß dieselben miteinander verbunden sind. Vorzugsweise wird eine Anordnung gemäß Abb. 2 c verwendet, welche in einfacher Weise die Abstimmung der Antenne, die aus dem Leiterpaar A und B besteht, ermöglicht. Bei solcher Anordnung ist die Übertragerleitung ι ο an einen U-förmig ausgebildeten Leiter 12 geführt, dessen Enden durch eine adjustierende Brücke 14 kurzgeschlossen werden. Durch Verschieben der Brücke 14 wird der Spannungsknotenpunkt der stehenden Wellen festgelegt. Die Enden 16 des U-förmigen Leiters 12 sind mit den gegenphasig erregten Leitern A und B verbunden. Anpassung der Impedanz in solcher Weise, daß längs der Leitung 10 sich keine stehenden Wellen ausbilden können, läßt sich durch Verschieben der Anschlußpunkte 18 der Übertragerleitung an . das U-förmige Leiterstück 12 erreichen. Die Anwendung des U-Leiters ermöglicht verbesserte Abstimmung der Antennendrähte, so daß sich leicht die effektive Antennenlänge jedes Drahtes auf ein ungerades Vielfaches einer Viertelwellenlänge einstellen läßt. Die wirksame Antennenlänge ist dabei lediglich durch die divergierenden Abschnitte gegeben, da der U-förmige Leiter keine Strahlung besitzt und beliebig lang gewählt werden kann.

Wenn die Antenne mit Hilfe des (J-Leiters hinreichend abgestimmt ist, stellt das System einen rein Ohmschen Widerstand für die Übertragerleitung dar. Durch geeignete Wahl der Zuführungspunkte der Übertragerleitung an den U-Leiter und Entfernung derselben von der Kurzschlußbrücke 14 kann Anpassung des wirksamen Antennenwiderstandes an den Scheinwiderstand der Übertragerleitung erzielt werden.

Es ist zu bemerken, daß die Erregung der Antennen A und B stets gegenphasig erfolgt, da im anderen Falle längs der Achse XX Aufhebung der von beiden Leitern erzeugten Strahlung erfolgen würde. Die im obigen beschriebene Anordnung ist sowohl für Sende- wie auch für Empfangszwecke geeignet.

Es ist zu bemerken, daß die beiden Antennendrähte von beliebiger Länge gewählt werden können, vorausgesetzt, daß sie ihrer Länge entsprechend unter geignetem Winkel angeordnet sind. Am zweckmäßigsten ist jedoch, wenn die wirksame Länge beider Antennendrähte und des U-Leiters, welcher sie abschirmt, ein ganzes Vielfaches einer halben Wellenlänge beträgt, während der die Strahlung verursachende Teil beliebig lang gewählt sein kann. Das Gesetz, welches den genauen Wert des Divergenzwinkels für die verschiedenen Antennenlängen wiedergibt, ist ziemlich kompliziert, und deswegen sind nur die empirische Formel sowie die Kurven gemäß Abb. 12 gegeben, welche für sämtliche praktische Zwecke ausreichend sind, sofern nicht die Länge des Drahtes einem ganzen Vielfachen einer halben Wellenlänge entspricht.

Zum Zwecke, Bündelung in der A^ertikalebene zu erzielen, können Anordnungen gemäß Abb. 4 vermieden werden. An Antennenmasten 20 sind zwei Paar divergierende Leiter A, B bzw. Ä, B' angeordnet. 22 sind die Halteisolatoren. Beide Leiterpaare sind mit der Übertragerleitung 24 mit Hilfe der Drähte 26 verbunden und werden gegenphasig erregt. Zweckmäßig wird der Abstand der durch die beiden Leiterpaare bestimmten Ebenen voneinander mindestens eine halbe Wellenlänge gewählt. Das untere Leiterpaar ist vorteilhafterweise mehr als eine halbe Wellenlänge über dem Erdboden angeordnet. Es ist nicht unbedingt notwendig, daß der Abstand der beiden Leiterpaare übereinander ein ganzes Vielfaches einer halben Wellenlänge beträgt. Drähte, die eine größere Anzahl halber Wellenlängen lang sind, besitzen schon an und für sich in der Vertikalrichtung praktisch verschwindend kleine Strahlung, insbesondere dann, wenn die Länge des Antennendrahtes ein gerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist.

Für Antennen gemäß Abb. 4, deren Länge etwa 6 bis 10 Wellenlängen beträgt, ist es zweckmäßig, den Abstand der Antennenpaare voneinander mehr als eine halbe Wellenlänge zu wählen. In Praxi ist jedoch die Höhe der Antennen durch ökonomische Rücksichten begrenzt, und wenn man die Absorption durch die Erde klein zu gestalten beabsichtigt, empfiehlt es sich, als Kompromiß die Leiterpaare eine halbe Wellenlänge voneinander anzuordnen. Es hat sich beispielsweise für Energieübertragung auf 17 oder iS m Wellenlänge als zweckmäßig erwiesen, die unteren Drähte etwa i³/₄ Wellenlängen über dem Erdboden anzuordnen und den Abstand der beiden Antennenpaare eine halbe Wellenlänge zu wählen. In diesem Falle müssen 80 Fuß hohe Antennenmasten verwendet werden.

Um eine Antennencharakteristik von ein- no seitigen Richteigenschaften zu erhalten, können zwei" Antennensysteme gemäß Abb. 2 längs der Achse XX in einem Abstand voneinander aufgestellt werden, der ein ungerades Vielfaches der vertikalen Wellenlänge beträgt. Eine solche Anordnung ist in Abb. 5 dargestellt, die gleichzeitig Bündelungseigenschaften, wie in Abb. 4 erläutert, besitzt. Es wird auf diese Weise ein Strahlungsdiagramm in der Horizontalebene erzielt, das in Abb. 6 wiedergegeben ist, während die Strahlungsverteilung in einer Vertikalebene in Abb. 7 zu

erkennen ist. Der Einfluß des Erdbodens ist bei der Aufstellung des Diagramms in Abb. 7 vernachlässigt worden. Bei der Anordnung gemäß Abb. 5 finden zwei Paar divergierende Leiter A, B und a, b, hintereinander längs der Fortpflanzungsrichtung XX aufgestellt, Anwendung. Der Abstand der Scheitel 28 der Leiter A, B und a, b beträgt eine ungerade Anzahl ¹^ Wellenlängen, im Falle der Abbilvo dung 2¹Z₄ Wellenlängen. Die in den Leitern A, B verursachten hochfrequenten Ströme sind daher um 90⁰ in der Phase gegenüber den Strömen in den Leitern a, b versetzt. Es pflanzt sich daher Energie bei einer solchen Senderanordnung längs der Achse XX, vornehmlich in Richtung der divergierenden Antennenenden, fort. Zwecks Bündelung in einer Vertikalebene sind unter den Leitern A, B und a, b gleichphasig mit denselben gespeiste Leiter angeordnet.

Für Abstimmungszwecke sind die U-förmig ausgebildeten Leiter 30 und 30' mit Kurzschlußüberbrückungen 32 und 32' vorgesehen. Falls stärkere Konzentration der Energie erwünscht ist, können mehrere Anordnungen gemäß Abb. 5, beispielsweise in der Querrichtung nebeneinander, angeordnet werden, welche gleichphasig erregt werden. Eine solche Anordnung zeigt Abb. 8, bei welcher zur Verbindung der verschiedenen nebeneinander angeordneten Antennensysteme A, B mit Reflektoren a, b eine verzweigte Energieleitung vorgesehen ist. Es ist auch möglich, die verschiedenen Antennensysteme U, wie in Abb. 9 dargelegt, hintereinander in Richtung der Fortpflanzung anzuordnen. Indem man die Phasendifferenz zwischen jeder An-

tenne U gleich dem Werte 2 · π · Λ- wählt, wo S

4.0 den Abstand der einzelnen Elemente voneinander bezeichnet, läßt sich einseitig gerichtete Fortpflanzung nach jeder Seite in Richtung der Achse XX erzielen, je nachdem ob die Phasen in aufeinanderfolgenden Antennen voraus- oder zurückeilen. Es ist aber auch möglich, wie in Abb. 10 und 10 a dargestellt, die Antenneneinheiten U in Rhombusform oder einander überschneidend anzuordnen.

Abb. 11 zeigt eine Anordnung ähnlich Abb. 5, bei welcher die Zahl der vorgesehenen Antennen verdoppelt ist und entsprechend stärkere Bündelung erzielt ist. Durch eine Anpassungsimpedanz 40 ist die Verbindung mit der Energieübertragerleitung hergestellt.

Die Erregung der übereinander angeordneten Antennendrähte ist gleichphasig.

Bei der Anordnung gemäß Abb. 11 ist die Anwendung von Antennendrähten einer Länge von ungefähr 6 bis 12 Wellenlängen vorgesehen. Antenne und Reflektor sind ⁹/₄ Wellenlängen hintereinander angeordnet. Für Antennen mit mehr als 12 Wellenlängen betragenden Drähten wird der Abstand zwischen Antenne und Reflektor größer, zweckmäßig 2³/₄ bis 3V4 Wellenlängen, gewählt. Für Antennendrähte von 3 bis 4 Wellenlängen Länge ist der Abstand zweckmäßigerweise ι ^x/₄ Wellenlängen oder noch weniger. Im allgemeinen wird bei Zunehmen der Antennenlängen auch der Abstand zwischen Antenne und Reflektor vergrößert.

Es ist selbstverständlich, daß die Antennen auch vertikal angeordnet werden können. Bei Sendeantennen wird man in solchen Fällen zweckmäßigerweise die Antennen so aufstellen, daß die Winkelhalbierenden und die Fortpflanzungsrichtung der Wellen nicht horizontal, sondern geneigt sind.

Claims

Patentansprüche:

i. Richtantenne für kurze Wellen, bestehend aus einem Paar linearer, unter einem Winkel zueinander angeordneter, gegenphasig gespeister Leiter von im Verhältnis zur Nutzwelle langer Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter einen Winkel von 2 α miteinander einschließen, der durch die Größe bestimmt ist:

α = 50,9 (-χ)

— 0,513

wobei λ die Nutzwellenlänge und Z die Länge der Antennendrähte bezeichnet und die Verkehrsrichtung im wesentlichen in der Winkelhalbierenden des durch die von stehenden Wellen erregten Antennenleiter bestimmten Divergenzwinkels liegt.
2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenleiter an eine Doppelleitung angeschlossen und an ihrem konvergierenden Ende miteinander verbunden sind (Abb. 2 a).
3. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenleiter an ein U-förmig geführtes Leiterstück angesetzt sind und die Übertragerleitung an gegenüberliegenden Punkten der U-Schenkel angeschlossen ist (Abb. 2 c).
4. Richtantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ouerverbindungsstück des U-förmigen Leiters und die Anschlußpunkte der Übertragerleitung verschiebbar angeordnet sind.
5. Richtantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der Antennenleiter und des U-förmigen Leiters ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge ist.
6. Richtantenne nach Anspruch 1, ge-

kennzeichnet durch zwei hintereinander angeordnete, aus divergierenden Leitern bestehende Einzelantennen, deren Scheitelabstand ein ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge ist.
7. Richtantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verwendung mehrerer übereinander angeordneter, aus divergierenden Leitern bestehender Einzelsysteme, die so angeordnet sind, daß der Abstand der durch die Antennendrähte definierten Ebenen mindestens eine halbe Wellenlänge ist.
8. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unterste Leiterpaar vom Boden mindestens einen Abstand von einer halben Wellenlänge besitzt.-
9. Richtantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere nebeneinander angeordnete, aus divergierenden Leitern gebildete Einzelantennen.
10. Richtantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere in einer Flucht hintereinander angeordnete, aus divergierenden Leitern bestehende Einzelsysteme, die mit einer Phasenverzögerung

von 2 · π' -j- erregt werden, wobei 6" den

Abstand der einzelnen Antennen voneinander bezeichnet.
11. Richtantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnung zweier aus divergierenden Leitern gebildeter Einzelantennen in Form eines Rhombus.
12. Richtantenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch aus je zwei divergierenden Leitern bestehenden Einzelantennen, die so angeordnet sind, daß dieselben sich überschneiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen