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Reflektoranordnung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reflektoranordnung
zum Senden oder Empfangen kurzer oder ultrakurzer elektromagnetischer Wellen mit
mindestens einem Reflektor und einer zum Senden oder Empfangen von linear polarisierten
Wellen geeigneten Antenne.
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Die Verwendung linear polarisierter kurzer oder ultrakurzer Trägerwellen
zur drahtlosen Zeichenübertragung hat bekanntlich den Nachteil, daß sich der Empfang
verschlechtert, wenn die Polarisationsrichtung der am Empfangsort ankommenden Welle
und der Empfangsantenne nicht übereinstimmen, wobei der Empfang sogar aussetzt,
wenn die beiden Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen. Man hat zur.
Vermeidung dieses Nachteils bereits vorgeschlagen, am Sendeort eine zirkular polarisierte
Welle zu erzeugen und auszusenden. Insbesondere hat man zu diesem Zweck eine Anordnung
vorgeschlagen, bei welcher um eine laufende Wellen führende Speiseleitung Antennen
angeordnet sind, welche, mit verschiedener Phase gespeist, eine zirkular polarisierte
Welle aussenden.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine andere und einfachere Lösung
dieses Problems unter Verwendung von Reflektoren und Sekundärstrahlern, dar. Der
Grundgedanke der Erfindung ist der, mit Hilfe eines Sekundärstrahlers mit bevorzugter
Polarisationsrichtung und eines hinter diesem angeordneten Reflektors eine auf die
Anordnung auftreffende linear polarisierte Welle beliebiger Polarisationsrichtung
so zu reflektig@daß nach der Reflexion wenigstens in bestimmten Richtungen ein.
elektrisches Feld stets vorhanden ist. Eine solche Reflektoranordnung muß es dann
möglich machen, mit einer Empfangsantenne mit bevorzugter Polarisationsrichtung
die ankommenden Wellen stets zu empfangen. Die günstigste Lösung stellt dann offenbar
eine Anordnung dar, bei der die Empfangsintensität nur wenig oder überhaupt nicht
durch die Polarisationsrichtung der ankommenden Welle beeinflußt wird. Eine derartige
Anordnung muß sich dann auch gleichzeitig zum Empfangen zirkular oder elliptisch
polarisierter Wellen oder zum Aussenden solcher Wellen eignen.
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Nähere Überlegungen haben nun gezeigt, daß die oben gestellte Aufgabe
dann gelöst werden kann, wenn die folgenden zwei Voraussetzungen erfüllt sind. Erstens,
die Polarisationsebene der Antenne muß um einen Winkel zwischen o und go° gegen
die Polarisationsebene des-Sekundärstrahlers geneigt sein, und zweitens, derAbstand
von Sekundärstrahler und Reflektor muß so bemessen sein, daß dis an Sekundärstrahler
und Reflektor reflektierten Komponenten einer einfallenden linear polarisierten
Welle eine von Null oder einem ganzzahligen Vielfachen von n verschiedene Phasendifferenz
erhalten.
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Die erste Bedingung ist sofort verständlich, wenn man, überlegt, daß
bei einem Winkel Null zwischen den Polarisationsebenen von Antenne und Sekundärstrahler
der Einfluß des Reflektors auf die Antenne ein Minimum und bei einem Winkel von
go ° der Einfluß des Sekundärstrahlers auf die Antenne ein Minimum bzw.
gleich
Null wird. Die Wirkungen, von Reflektor und Sekundärstrahler auf die Antenne sind
offenbar am günstigsten, wenn der Winkel genau oder angenähert 45' beträgt.
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Die Notwendigkeit der zweiten Bedingung soll nun an Hand der Abb.
x und 2 bewiesen werden.
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In Abb. z stellt Z einen Empfangsdipol dar, der Sekundärstrahler wird
durch ein Polarisationsgitter 2 verwirklicht, dessen Stäbe unter 45' zu der Achse
des Empfangsdipols geneigt sind. Als Reflektor dient ein parallel zu 2 und hinter
2 aufgestelltes zweites Polarisationsgitter 3; dessen Stäbe senkrecht zu den Stäben
von 2 stehen. Die Benutzung -eines solchen zweiten Polarisationsgitters ist, da
von dem Gitter 2 nur die zu den Stäben senkrechte Komponente des elektrischen Feldes
hindurchgelassen wird, völlig ausreichend. Statt des Polarisationsgitters 3 kann
natürlich auch ein vollwandiger Reflektor bzw. ein solcher ohne bevorzugte Polarisationsrichtung
benutzt werden.
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Es wird angenommen; daß eine in Pfeilrichtung auf die Reflektoren
2 und 3 huftreffende linear polarisierte Welle nach der Reflexion zu der Antenne
z gelängt, und es soll nur untersucht werden, für welche Abstände zwischen 2 und
3 erfindungsgemäß unabhängig von der Polarisationsrichtung der einfallenden Welle
stets eine Feldkomponente in Richtung der Antenne = -auftritt. Die direkt auf die
Antenne r auftreffende Strahlung wird bei dieser Betrachtung vernachlässigt. Diese
Vernachlässigung ist dann berechtigt, wenn, wie bei den Ausführungsbeispielen noch
gezeigt wird; die direkte Strahlung abgeschirmt oder aber die Reflektoren 2, 3-
als relativ zur Antenne große, insbesondere parabolisch gekrümmte Spiegel ausgebildet
sind.
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Mit Hilfe des in der Abb. 2 a dargestellten Vektordiagramms werden
nun die bei der Reflexion an den beiden Gittern 2 und 3 eintretenden Verhältnisse
näher erläutert. Die Polarisationsrichtung der ankommenden Welle sei zunächst senkrecht
zur Richtung der Antenne z angenommen. Die an dem Polarisationsgitter 2 wirksame
Komponente der Feldstärke Eo ist El, welche bei der Reflexion einen Phasensprung
von 7L = 18o' erleidet und nach der Reflexion die Richtung und Größe von El' erhält.
Die von dem Polarisationsgitter hindurchgelassene Komponente ist E2, welche zu Ei
senkrecht steht. Nach der Reflexion von E2 am Reflektor 3 bewegt sich ein Feld E2
auf die Antenne zu, das von dem Gitter?
ungeschwächt hindurchgelassen wird.
Beide Komponenten Ei' und E2 haben wegen der verschieden zurückgelegten Wege eine
Phasendifferenz von cp, welche sich aus dem Abstand d zwischen 2 und 3 und der Wellenlänge
2, zu 99 4n # d/2. ergibt. Die Formel ist aus der Beziehung 2/27L = l/97
abgeleitet, wobei l = 2d
den zurückgelegten Weg der Feldkomponente E2 bzw.
E2 zwischen den beiden Reflektoren 2 und 3 bedeutet. Die Phasendifferenz 99 ist
demnach unabhängig von der Polarisationsrichtung der auftreffenden Welle. Wird der
Abstand d = 0, 2/4, d/2, 2.3/4 ...
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gewählt, so wird der Phasenwinkel zwischen EI' und E2 99 _ 0, 7r,
27z, 37s, . , Nach der Reflexion setzen sich daher die Komponenten Ei', für die
99 = 0, 29, 47t, . . .
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ist, zu einer horizontal polarisierten Welle E0 zusammen, wobei die
vertikalen Komponenten EI", EZ ' sich gegenseitig aufheben. Eine Wirkung
auf die Antenne z findet also nicht statt. Für die Werte 99 = Z. 3n, 57r, . . .
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heben sich gerade die horizontalen Komponenten auf, und es entsteht
eine vertikal polarisierte Welle, welche eine maximale Wirkung auf die Antenne =
ausübt. Steht F_, jedoch nicht horizontal, sondern vertikal, so heben sich die vertikalen
Komponenten von Ei' und E2 gerade auf, so daß also auch diese Werte von d bzw. 97
nicht brauchbar sind. Brauchbar sind dagegen alle dazwischenliegenden Werte, wobei
das Optimum jeweils in der Mitte zwischen den, oben ermittelten Werten, also bei
d - ,l/8, 3 2/8, 5 A/8, . . .
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liegt. Die optimale Phasendifferenz zwischen Ei' und E2 ergibt sich
daraus zu 93 - Z/2, 37L/2, 57L/2, ...
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Bei'diesen Phasenwinkeln ergeben sich dann in Abhängigkeit von der
Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Feldes für die reflektierte
Welle folgende Verhältnisse: Ist Eo parallel oder senkrecht zur Polarisationsrichtung
des Sekundärstrahlers, so ist die reflektierte Welle linear polarisiert. Ist E,
unter 450 gegen die Polarisationsrichtung des Sekundärstrahlers geneigt, dann ist
die reflektierte Welle zirkular polarisiert. Bei allen Zwischenwerten ist die reflektierte
Welle elliptisch polarisiert.
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Wie sich die beiden vertikalen Komponenten Ei' und E2' bei einer Phasendifferenz
von (p = aL/2 zu einer gemeinsamen Welle zusammensetzen, ist in Abb. 2b dargestellt:
Es ist die Resultierende aus Ei' und EJ. Ändert nun E, seine Polarisationsrichtung,
so ändern sich die Amplituden von Ei" und E2", jedoch immer so, daß, wenn die eine
Komponente
ein Minimum aufweist, die andere ihren maximalen Wert
erhält. Es ist -also stets, d. h. bei beliebiger Lage von Eo, eine Wechselkomponente
E3 in Richtung.der Antenne vorhanden. Durch Rechnung läßt sich auch ohne Schwierigkeit
nachweisen, daß bei einem Phasenwinkel rT = @z/2, 3 v-r/2,
. .. der Wert von E3 stets die Größe EJ I.' a unabhängig von der Polarisationsrichtung
von E, erhält, so daß also eine Drehung der Polarisationsrichtung der ankommenden
Welle ohne Einfluß auf die Amplitude der auf die Antenne i auftreffenden Welle ist.
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Wird die beschriebene Reflexionsanordnung in Verbindung mit einer
Sendeantenne benutzt, so kann sie dazu dienen, je nach dem gewählten Abstand vcn
2 und 3, zirkular, elliptisch oder auch linear polarisierte Wellen auszusenden.
Für den Abstand d = 2/8, 3 A/8 ... werden über die Reflektoren 2 und 3 zirkular
polarisierte `Vollen ausgesandt. Man erkennt, daß sich die Anordnung durch einfache
Umkehrung der Fortschreitungsrichtung vcrzugsweise zum Empfang zirkular oder elliptisch
polarisierter Wellen eignet und aus einer zirkular polarisierten Welle nach der
Reflexion an 2 und 3 beispielsweise eine linear polarisierte Welle entsteht. Es
ist dann nur darauf zu achten, daß die Lage der Antenne parallel zu der Richtung
der entstehenden linear polarisierten Welle verläuft.
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Wie bereits erwähnt, lassen sich an Stelle des Polarisationsgitters
3 in Abb. i auch Reflektoren ohne bevorzugte Polarisationsrichtung verwenden. Als
Sekundärstrahler können statt eines Polarisationsgitters auch Resonatoren (elektrische
oder magnetische Dipole) benutzt werden, wobei das Polarisationsgitter oder die
Resonatoren entweder zwischen der Antenne und einem Hauptreflektor oder zwischen
Antenne und einem Hilfsreflektor vorgesehen sein können. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Abb. 3 bis 5 dargestellt.
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In Abb. 3 stellt q. eine Sende- oder Empfangsröhre dar, welche an
ihrem oberen Ende mit einer 2,/4 Stabantenne 5 und einer zur Achse der Antenne senkrechten
Metallplatte 6 als Gegengewicht zur Antenne versehen ist. Hinter der Stabantenne
5 befindet sich ein parabolisch gekrümmter Metallreflektor 7. Es sei angenommen,
daß die Brennweite des Reflektors ? zu 2/4 gewählt ist und daß sich die Antenne
5 in der Brennlinie dieses Reflektors befindet. Vor der Antenne 5 befindet sich
ein Hilfsreflektor 8, der eine direkte Strahlung von der oder auf die Antenne 5
verhindert. Zwischen Antenne 5 und Reflektor 7 ist entsprechend der Erfindung ein
Sekundärstrahler 9 vorgesehen, der aus einem ebenfalls parabolisch gekrümmten Polarisationsgitter
besteht. Die Stäbe des Polarisationsgitters sind unter 45' zur Antenne 5 geneigt.
Die Brennweite dieses parabolisch gekrümmten Polarisationsgitters ist nun zu 2/8
angenommen, wobei die Brennlinie ebenfalls mit der Antenne 5 zusammenfällt. Die
Reflektoranordnung erfüllt demnach die im vorausgehenden erörterten optimalen Bedingungen
bezüglich der Polarisationsrichtung des Sekundärstrahlers und der bei der Reflexion
an den Reflektoren 7 und 8 entstehenden Phasendifferenz, da der Wegunterschied zweier
an 7 und 9 reflektierter Komponenten gleich 2,/8 beträgt. Die Anordnung eignet sich
also zum Empfangen zirkular oder elliptisch polarisierter Wellen und als Sender
zum Aussenden zirkular polarisierter Wellen.
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Ordnet man den Sekundärstrahler zwischen Antenne und Hilfsreflektor
an, so kann man mit wesentlich kleineren Abmessungen des Sekundärstrahlers auskommen,
man kann ihn insbesondere als einfachen Resonator ausführen.
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Zwei weitere Ausführungsbeispiele. der Erfindung sind in den Abb.
q. und 5 dargestellt. In Abb. q. ist in dem Brennfleck eines parabolisch gekrümmten
Hauptreflektors io eine 2/2 Dipolantenne ii angeordnet, welche durch die Zweidrahtleitung
12 mit einer Sende- oder Empfangsröhre verbunden werden kann. Vor dem Hauptreflektor
io und der Antenne ii befindet sich ein. parabolischer Hilfsreflektor 13, beispielsweise
im Abstand und mit der Brennweite f = A/4. Zwischen Antenne ii undHilfsreflektor
13 ist ein Sekundärstrahler 14 vorgesehen, der um 45' gegen die Richtung der Antenne
geneigt und im Abstand von 2/8 an dem Hilfsreflektor 13 befestigt ist. Die Wirkungsweise
dieser Anordnung ist im Prinzip die gleiche wie bei der Anordnung in Abb. 3, wobei
natürlich der Sekundärstrahler nur für den Teil der ausgesandten oder empfangenen
Energie wirksam ist, der auch über den Hilfsreflektor geht.
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Ein noch einfacheres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 5 dargestellt,
das sich von dem Ausführungsbeispiel in Abb. q. nur dadurch unterscheidet, daß an
Stelle des flächenförmigen Hilfsreflektors 13 ein aus einem Dipol bestehender Hilfsreflektor
15 vorgesehen ist. An Stelle der elektrischen Dipole 11, 1q., 15 können natürlich
auch ganz oder teilweise geschlossene Drahtkreise, sog. magnetische Dipole, verwendet
werden.