DE618777C - Anordnung fuer gerichtetes Senden und Empfangen von Schwingungsenergie - Google Patents

Description

Zum Richtsenden und Richtempfang sind Anordnungen notwendig, deren Richtcharakteristik in einem bestimmten, möglichst kleinen Winkelbereich ein Maximum aufweist, während für alle anderen Winkel die Richtcharakteristik den Wert Null haben soll. Theoretisch läßt sich dieser erstrebenswerte Fall nicht erreichen mit Anordnungen, deren Ausmaße noch mit der Wellenlänge vergleichbar sind, vielmehr treten hier stets neben.dem Hauptmaximum störende Nebenmaxima auf.

Es ist bekannt, daß die Richtcharakteristiken für Sender und Empfänger, für elektromagnetische, mechanische, akustische und andere Schwingungen sowie für alle Wellenlängen die gleichen sind, sofern nur die Längenangaben auf die Wellenlänge bezogen werden. Es genügt also, wenn zur Erläuterung nur der Fall des Senders elektromagnetischer Schwingungen herangezogen wird. Alle hieraus gezogenen Schlüsse gelten sinngemäß auch für die anderen Fälle, insbesondere die Schall-, Ultraschall- und Unterwasserschalltechnik.

Die einfachste Form der Kombination von Einzelstrahlern ist die in einer Geraden. Als gebräuchlichste Anwendung ist ein System bekannt, bei dem Strahler gleicher Amplitude und gleicher oder entgegengesetzter Phase in einem Abstand von einer halben Wellenlänge angebracht sind. Haben die Einzelstrahler in einer bestimmten Ebene keine eigene Richtwirkung, so läßt sich die Richtcharakteristik nach einer bekannten Formel leicht berechnen, haben die Einzelstrahler jedoch selbs't Richtwirkung, so tritt ihre eigene Richtcharakteristik als multiplikativer Faktor zur Gesamtcharakteristik hinzu.

Die Kurven α in den Abbildungen zeigen die Richtcharakteristiken derartiger Kombinationen für verschiedene Anzahl der Einzelstrahler, 3^a und 4^a für den Fall, daß die Einzelstrahler keine Richtwirkung, i^a und 2^a für den Fall, daß sie selbst die bekannte Richtwirkung von Dipolen haben. Die Darstellung in rechtwickligen Koordinaten ist gegewählt worden, um die Nebenmaxima ihrer Bedeutung entsprechend hervortreten zu lassen. Aus demselben Grunde sind die Rieht-Charakteristiken auch für Feldstärkewerte angegeben, während für Energiewerte das Quadrat der gezeichneten Kurven maßgebend wäre. Dargestellt ist nur der Winkelbereich von ο bis 90⁰, da für die hier angegebenen Beispiele die Strahlung in den anderen Quadranten symmetrisch ist.

Wie aus den Kurven α ersichtlich, steigt die Zahl der Nebenmaxima mit erhöhter Anzahl der Einzelstrahler, ohne daß jedoch ihre Höhe merklich abnimmt. Es zeigt sich ferner, daß eine Erhöhung der Einzelstrahler über eine bestimmte Zahl hinaus wenig Vorteile bietet, weil dann der Energieanteil, der in Richtung der Nebenmaxima gestrahlt wird, dem in Richtung des Hauptmaximas gestrahlten Anteil bald sehr nahe kommt. Eine besonders störende Eigenschaft der Neben-

maxima ist die Tatsache, daß sie in der Nähe des Hauptmaximums am größten sind. Man muß für Peil- und andere Zwecke verlangen, daß das Hauptmaximum schärf begrenzt ist. Größere Nebenmaxima in weiterer Entfernung vom Hauptmaximum würden daher weniger störend sein. Es sind Anordnungen vorgeschlagen worden mit Richtcharakteristiken ohne jegliches Nebenmaximum. Dieser Fall tritt ein bei einer ganz bestimmten. Amplituden- bzw. Stromverteilung, und nur dann, wenn der Abstand der Einzelstrahler voneinander kleiner als die halbe Wellenlänge ist. Die Kurven b zeigen derartige Richtcharakteristiken. Die Zahlen neben den als Punkte oder Striche dargestellten Strahlern geben die Stromverhältnisse an, wobei der Strom im äußersten Strahler als Einheit gewählt ist. Aus den Kurven b ist zu ersehen, daß die Richtschärfe sehr gering ist und auch bei Steigerung der Anzahl der Strahler nicht allzusehr ansteigt. Eine scharfe Begrenzung des Hauptmaximums ist mit derartigen Systemen nicht zu erreichen. Diese Anordnung ist von Bellini angegeben worden. Aus der gleichen Zeit stammt ein Vorschlag, in dem eine Richtantenne beschrieben ist, die mit gleichphasigen Strömen gespeist wird, deren Stärke von der Mittelantenne nach außen abnimmt. Sind die Abstände der Einzelantennen untereinander kleiner als eine halbe Wellenlänge, so läßt sich die Anzahl der Nebenmaxima verringern, wobei auch ihre Höhe abnimmt. Das geschieht auch hier auf Kosten der Richtschärfe.

Erfindungsgemäß wird nun eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Nebenmaxima weder ganz vermieden noch in ihrer Zahl verringert werden, sondern im Gegenteil ihre Anzahl soweit wie möglich erhöht wird. Es zeigt sich nämlich, daß ein Nebenmaximum in der, Regel um so kleiner ist, je näher seine benachbarten Nullstellen aneinanderliegen. Durch Ändern der Abstände, Phasen und Ströme der Einzelstrahler zueinander hat man, die Zahl und Lage der Nullstellen in der Hand. Es ergibt sich, daß der erstrebte Zweck, die Zahl der Nullstellen und damit der - Nebenmaxima zu erhöhen und gleichzeitig ihre Höhe herabzusetzen, nur erreicht wird, wenn der Abstand der Einzelstrahler größer • als die halbe Wellenlänge ist und gleichzeitig die absoluten Beträge der Ströme in den Einzelstrahlern von der Mitte des Reihensj'stems nach den Enden zu abnehmen. Je nach Zulässigkeit der Höhe der Nebenmaxima ergeben sich verschiedene Strom- und Abstandswerte. Es zeigt sich, daß die Breite des Hauptmaximums verringert, d. h. die Richtschärfe vergrößert werden kann, wenn man größere Nebenmaxima zuläßt. Dabei wird es zweckmäßig sein, Strom und Abstand so zu wählen, daß in der Nähe des Hauptmaximums kleinere Nebenmaxima auftreten als in größerer Entfernung, was gleichbedeutend ist mit einer Häufung der Nullstellen in der Nähe des Hauptmaximums. Man wird ferner Strom und Abstand so wählen, daß die Nullstellen der Kombinationscharakteristik nicht mit denen der Elementcharakteristik zusammenfallen. Es wäre also unzweckmäßig, eine Kombination von vertikalen Dipolen so anzuordnen, daß die Kombinationscharakteristik bei 90⁰ eine Nullstelle hat. Die Zahl der Nullstellen ist beschränkt bei gegebener Länge des Systems im Verhältnis zur Wellenlänge. Man wird sie also zweckmäßig so verteilen, daß die für den jeweils vorliegenden Fall günstigste Richtcharakteristik herauskommt.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, als günstigsten Antennenabstand bei w-Antennen ft ~~ T

■—j- zu wählen, wenn eine große Richtschärfe erzielt und Nebenmaxima in der Größenordnung des Hauptmaximums vermieden werden sollen. Dieser Wert ist für große Werte von η stets größer als die halbe Wellenlänge. Er gilt jedoch nur für den Sonderfall, in dem alle Antennen den gleichen Strom führen. . Nehmen die Ströme von der Mitte zu den Enden ab, so zeigt bei diesen Abständen die Richtcharakteristik neben kleinen Nebenmaxima auch solche von unzulässiger' Höhe. Erst durch die gleichzeitige richtige Wahl von Abstand und Stromverhältnis läßt sich eine weitgehende gleichmäßige Unterdriikkung der Nebenstrahlung erzielen.

Die Kurven c in den Abb. 1 bis 4 geben die Richtcharakteristiken einiger Beispiele der erfindungsgemäßen Kombinationen. Hierzu ist too zu bemerken, daß einem Nebenmaximum von ι °/₀ in Feldstärkewerten ein gleiches von nur ¹Z₁₀₀ °/₀ in Energiewerten entspricht. Die Nebenmaxima in den Kurven c sind also auf eine praktisch zu vernachlässigende Höhe herabgedrückt.

Die Reihensysteme können über- oder nebeneinander angeordnet sein. Dementsprechend stellen die Kurven die Richtcharakteristik in der Vertikal- bzw. Horizontalebene dar. Andererseits ist auch eine beliebige Richtung im Raum ausführbar. Die Charakteristiken der erfindungsgemäßen Kombination c sind, verglichen mit Kombination a, von Strahlern gleicher Amplitude und einem Abstand gleich der halben Wellenlänge. Sie können daher überall da Verwendung finden, wo die letzteren bisher angewendet wurden und darüber hinaus noch dort, wo diese infolge ihrer unzulässig hohen Nebenmaxima unbrauchbar waren. So kann sich auch bei symmetrischer Anordnung in der

Symmetrieebene eine spiegelnde Fläche, z. B. die Erdoberfläche, befinden, wodurch der hinter der Spiegelebene befindliche Teil der Anordnung fortfällt und durch das Spiegelbild ersetzt wird. Dieses Spiegelbild kann je nach Art der verwendeten Antennen gleich- oder gegenphasig, in besonderen Fällen auch von anderer Phase und geringerer Amplitude sein.

ίο Eine der möglichen Anordnungen der Kombinationen von Abb. ι und 2 besteht aus zwei vertikalen Dipolen über der Erde. Nach Bild ι befindet sich eine Antenne von höchstens ¹J₄, Wellenlänge auf der Erde mit einem Strom, der i,o.6mal so groß ist wie der des darüber in einem Abstand¹ von 0,625 befindlichen Dipols. Diese Kombination und die von Abb. 2 sind von Bedeutung für Rundfunkantennen, bei denen zur Vermeidung des Nahfadings die Steilstrahlung unterdrückt werden soll. Alle bisher bekannten Anordnungen dieser Art wiesen wohl eine Stromverteilung auf, bei der die Ströme in der Mittelantenne am größten sind, sie arbeiten aber alle mit Abständen unter einer halben Wellenlänge. Eine sog. Höhenantenne, bestehend aus einer geerdeten Antenne und einem darüber befindlichen Dipol konnte daher nicht erheblich günstiger sein als ein einziger Dipol über Erde. Erst durch Vergrößern der Abstände über eine halbe Wellenlänge hinaus kann in der Richtcharakteristik eine weitere Nullstelle und damit ein weiteres Nebenmaximum geschaffen werden, wodurch die Raumstrahlung erheblich vermindert wird (s. Abb. 1).

Es ist auch bereits eine Anordnung mit bevorzugter Bodenstrahlung vorgeschlagen worden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ihre Gesamtausdehnung unter einer halben Wellenlänge liegt. Die Abstände der Einzelantennen liegen daher weit unter einer halben Wellenlänge. Eine bedeutende Unterdrückung der Raumstrahlung ist also auch hier nicht möglich. Außerdem wird hier die umgekehrte Stromverteilung beansprucht, bei der die Außenantenne den größeren Strom führt.

Abb. 3 und 4 zeigen Charakteristiken von

5 bzw. 6 Einzelstrahlern. Diese wie auch jede andere Reihenkombination können zu einem ebenen System verbunden sein. Abb. 7 zeigt eine Möglichkeit. Eine derartige netzförmige Anordnung entsteht, wenn man an die Stelle eines jeden Einzelelements in einer Reihe wiederum ein erfindungsgemäßes Reihensystem setzt, dessen Achse zu der des ursprünglichen Systems senkrecht steht. Die Stromwerte der neuen Reihensysteme ergeben sieh dann durch Multiplikation mit den Strpmwerten des betr; Einzelstrahlers, an dessen Stelle die Reihe getreten ist. Dieses Ersatzverfahren läßt sich natürlich beliebig oft wiederholen, wobei die Wahl der neuen Achsrichtung keiner Beschränkung unterliegt.

Unter den vielen Möglichkeiten der Korn- 65* bination von Reihensystemen untereinander sei noch ein Beispiel nach Abb. 8 erwähnt, das sich durch sternförmige Kombination von symmetrischen Reihensystemen ergibt, deren Mittelpunkte zusammenfallen. Befindet sich im Mittelpunkt der Reihe selbst ein Strahler wie in Abb. 8, so erhält seine Amplitude den M-fachen Wert, wenn η die Zahl der zur Kombination herangezogenen Reihensysteme ist.

Die Punkte der Abb. 7 und 8 können beispielsweise akustische Strahler bedeuten, die sich in einer gemeinsamen Wand befinden. Es ergibt sich dann eine räumlich scharf gebündelte Strahlung mit einem Maximum in Richtung senkrecht zur Wand. Es können aber die Punkte auch elektrische Dipole bedeuten. Eine derartige Kombination strahlt in beiden Richtungen senkrecht zur Ebene maximal. Verlangt man Strahlung nur in einer der beiden Richtungen, so kann man dies durch eine Reflektorebene in geeignetem Abstande und entsprechender Phase erreichen. Diese Reflektorebene besteht ebenso wie die Strahlerebene aus einer Kombination erfindungsgemäßer Reihensysteme. In einem Sonderfall können Reflektor- und Strahlerebene gleich-'artig ausgebildet sein.

Daß die Voraussetzungen für die Unterdrückung der Nebenmaxima nicht nur für den Fall gleichphasig, sondern auch gegenphasig schwingender Elemente gelten, zeigen die-Charakteristiken der Abb. S und 6. Abb. 9 zeigt ein Anwendungsbeispiel davon. Es sind hier horizontale Dipole vorgesehen, die ein gegenphasiges Spiegelbild im Erdboden er-100 zeugen. Ferner ist eine Reflektorebene vorgesehen. Die Anordnung hat Bedeutung für den Kurzwellenweitverkehr.

Handelt es sich um Kombinationen in einer Geraden, so tritt an die Stelle der Reflektorebene in entsprechender Weise eine Reflektorreihe. Die erfindungsgemäßen Reihensysteme können ferner in horizontalen oder vertikalen gekrümmten Spiegeln, z. B. Paraboloidspiegeln, aus Gitter drähten oder Vollmetall Verwendung finden. Zur Unterdrückung der in der Horizontalebene ungerichteten Rückstrahlung der Reihe kann auch hier eine Reflektorreihe Verwendung finden (Fig. 11).

Die richtige Phase und der gewünschte Strom jedes Einzelstrahlers werden gewöhnlich durch Speisung mit Hilfe einer Energieleitung erreicht. Es gibt jedoch Fälle, wo dies mit Schwierigkeiten verbunden ist, z. B. im Ultrakurzwellengebiet. Auch können die Energieleitungen als Reflektor wirken oder durch Induktion von den gespeisten Dipolen

her zusätzlich strahlen. Man. kann diese Schwierigkeiten vermeiden, wenn man nur die mittlere Antenne oder auch die mittleren Antennen direkt erregt, während die anderen durch Strahlungskopplung gespeist werden. Es ergibt sich bei einem Abstand größer als die halbe Wellenlänge immer ein Strom in den strahlungsgekoppelten Antennen, der mit der Entfernung von der Mitte kleiner wird.

ίο Die Voraussetzungen der erfindungsgemäßen Reihe sind als'o erfüllt.^ Es läßt sich auch stets durch Variieren der Entfernung ein gewünschtes Phasenverhältnis, Gleich-, Gegenoder beliebige Phase, einstellen. Die Abb. 12

»5 bis 14 zeigen Beispiele von derartigen Reihensystemen, in denen die Dipole senkrecht zur Richtung der Reihe stehen. In diesem Fall ergibt sich angenäherte Gleichphasigkeit im strahlungsgekoppelten Dipol bei einem Abstand von etwa 0,6 bis 0,7 Wellenlängen. Es lassen sich mit derartigen Anordnungen also Richtcharakteristiken ähnlich denen in Abb 1 c und 2 c erzielen.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung für gerichtetes Senden und Empfangen von Schwingungsenergie, bestehend aus einem oder mehreren Reihensystemen von in einer Geraden angeordneten Elementarsendern bzw. Empfängern, insbesondere Antennen oder Membranen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Richtcharakteristik mit erhöhter Zahl und verminderter Größe der Nebenmaxinia die Elemente eines Reihensystems weiter als eine halbe Wellenlänge vonein-

   ander entfernt sind und derart erregt werden, daß die Absolutwerte ihrer Ströme bzw. Amplituden von der Mitte zu den Enden der Reihe hin abnehmen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleiche oder verschiedene Reihensysteme sternförmig derart angeordnet sind, daß ihre Mittelpunkte zusammenfallen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einzelelement eines Reihensystems wiederum aus einem Reihensystem nach Anspruch 1 besteht, dessen. Achse zu der des ersten senkrecht steht.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß irgendeine Symmetrieebene durch die Oberfläche eines reflektierenden Mediums ersetzt ist und nur der diesseits dieses Mediums gelegene Teil der Anordnung ausgeführt wird, während der andere durch das Spiegelbild ersetzt wird.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, da- So durch gekennzeichnet, daß sie sich in einem gekrümmten Spiegel befindet.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Strahlung in einer Richtung eine Reflektorebene bzw. -reihe Verwendung findet, die ebenfalls nach Anspruch ι ausgebildet ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein oder einige mittlere Strahler direkt erregt, die übrigen aber strahlungsgespeist sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen