-
Verfahren zum getrennten Empfang von mehreren in einem metallischen
Hohlrohr erregten elektromagnetischen Schwingungen Es ist bekannt, elektromagnetische
Wellen sehr hoher Frequenz in hohlen Metallrohren ohne Innenleiter durch elektromagnetische
Erregung des die Rohre erfüllenden Dielektrikums zu übertragen. Man redet hierbei
von elektrischen Wellen, wenn eine elektrische Feldstärke in Richtung der Rohrachse
vorhanden ist, von magnetischen Wellen; wenn eine magnetische Feldstärke in der
Richtung det Rohrachse auftritt. Die Theorie ergibt, daß bei kreisrunden Rohren
die Feldverteilung in dem Hohlraum längs des Radius durch Besselsche Funktionen
bestimmt ist, wobei die elektrische Feldstärke auf den Rohrwänden senkrecht steht
und an ihnen gleich Null sein muP, Die Feldverteilung längs der Achse wird durch
Sinusfunktiönen bestimmt, wobei die auftretende Wellenlänge nicht allein von der
Frequenz abhängig ist, sondern auch von dein Rohrradius und bestimmten Wurzeln der
Besselschen Funktionen, welche den vorhandenen Anregungsbedingungen entsprechen.
Die Erfindung bczweckt, eine besondere Art dieser Welle, und zwar die zirkularsymmetrisclte,
zu benutzen, um gleichzeitig mehrere Signale init derselben Frequenz zu übertragen.
Zur Erklärung sei an Hand der Abb. 1 der Verlauf der elektrischen Feldstärke dieser
Wellenart als Funktion der Entfernung von der Rohrachse erläutert. Es gilt gemäß
Bell System Technical Journal Nr.1V, S.31-6,
1936
, für
diese
Feldstärke in Zylinderkooldinateil --, r,
0 -
die Formel
E; = A # J>Z(kr) # cos n.0 # eJot + ,z_ (I)
| Dc,hei hedclitct :l eine Konstante, J" (kr;: |
| Besselsche Funktion it-ter Ordnung, @@-ohel |
| irgendeine der diskreten Lösungen ist. a) i:t |
die Kreisfrequenz und -, die Phase, während t die Zeitkoordinate darstellt.
-
Die zirkularsvminetrischen Wellen, auf die sich die Erfindung bezieht,
werden gegeben, indem man in dieser Formel n = o setzt, so daß sich ergibt
E- - A # .%n (k r) , ei,'
Diese Gleichung läßt eine unendliche Anzahl
von Lösungen zu, die gegeben sind durch die Randbedingung, daß an der Rohrwand die
Feldstärke gleich Lull sein muß. Die Besselsche Funktion nullter Ordnung, die in
der Gleichung vorkommt, besitzt unendlich viele Nullstellen, und. es gibt infolgedessen
unendlich viele diskrete Werte der Größe k, die der Gleichung genügen. Für jeden
Wert von h gibt es eine Feldstärkenverteilung, die, wie gesagt, die Eigenschaft
haben muß, an der Rohrwand den Wert Null zu besitzen. Die Abb. t zeigt die drei
ersten Feldverteilungen EI, EI, und EI", die die Gleichung
zuläßt.
-
Die Formel ( i) besagt außerdem, daß bei ein und derselben Frequenz
alle diese Feldverteilungen theoretisch möglich sind. Man kann sie also voneinander
getrennt zur Aussendung bringen. Die Erfindung gibt nun Mittel an die Hand, um sie
auch voneinander getrennt zu empfangen.
-
Gemäß der Erfindung geschieht der getrennte Empfang von mehreren in
einem Hohlraum erregten elektrischen Schwingungen gleicher Frequenz und gleichen
Schwingungstyps, aber verschiedener Ordnung (verschiedener Werte von k) derart,
daß für jede dieser Schwingungen mehrere Empfangsorgane in dein Hohlrohr vorgesehen
sind, deren Ausgangsspannungen nach Amplitude und Phase derart kombiniert werden,
daß die Summe der Empfangsspannungen für alle Schwingungen außer der zu empfangenden
gleich Null wird.
-
Zur Durchführung dieses Verfahrens sollen zwei mögliche Anordnungen
angegeben werden: Bei der ersten werden, über den Querschnitt des Rohres verteilt,
verschiedene Empfangsorgane aufgestellt. Der Empfang von diesen Organen wird in
einer solchen Weise kombiniert, daß für jeden gewünschten Übertragungskanal sämtliche
zum Empfang kommenden Wellen bis auf eine verschwinden. 1latlieillatiscll läßt-
sich die Bedingung noch in folgender Weise erklären: Nehmen wir an (s. Abb. i),
daß sich die Empfangsorgane I, II und NI in Entferilttngen r, r2, r3 von
der Rohrachse befinden. Es hat dann die Welle 1 die mathematische Form EI - Io (klr)
# er' mit k, R = 2,40 (erste Nullstelle der Besselschen Funktion). Ebenso
läßt sich schreiben Ell = I, (kllY) # er' mit hII R = 5,_q2
(zweite
Nullstelle) und EI[, = Io (klIIr) # er, mit kIll R =ä,65 (dritte Nullstelle).
-
Das Empfangsorgan in der Distanz r, von der Rohrachse empfängt eine
Spannung V, - I, (ki r,) _# I', (k11;") -f- I, (kill r,).
Ebenso lassen sich
die Empfangsspannun-,sen l'., und l'3 für die anderen Antennen berechnen. Jede der
einzelnen Antennen empfäng; also von jeder der einzelnen Wellen einen gewissen Anteil.
Es wird nun gemäß der Erfindung durch Kombination der Empfangsspannungen in einer
Anordnung K die gesamte kombinierte Spannung von allen Wellen 1, 11, 111 bis auf
eine frei gemacht. Dieses sei im folgenden rechnerisch durchgeführt für den Fall,
daß diese eine Welle. also die Welle, die man zu empfrii@`e@: wünscht, die Welle
I ist. Die Glecliuilgen. daß die Empfangsspannung der Wellun 1I und III Null sein
möge, lauten also o-ltto(litr,) -f vIo(kIIy._) +AI.,(hlllt"), ( o -_ IiIo(klllr,)
-vIo(killr_) - ?. 11) (kill;"') -)' woraus sich in bekannter Weise das Verhältnis
der Amplituden 1i, v und i in inatlicinatisch eindeutiger Weise ergibt.
Es ist also möglich, von den drei' Wellen I, 1I und 111, welche mit derselben Frequenz
durch da: Rohr gegeben werden, eine zu empfangen und die beiden anderen auszusondern..
-
Die Kombination der einzelnen Empfangsspannungen in der Anordnung
K kann in verschiedener Weise geschehen. Man kann sie beispielsweise direkt hoclifrequenzinäl,üg
dul-cliführen, indem man die einzelnen Empfangsspannungen über Spanntingsteiler
mit geeignetem Spannungsteilerverhältnis gibt, die einer gemeinsamen -Elektrode
zugeführt werden. Ulan kann auch eine elektrische Trennung einführen, indem man
erst nach dem Durchlauf von einer öder mehreren Röhrenstufen, evtl. auch erst im
Zwischen- oder NTiederfrequengebiet, eine Kombination der ein zelnen Spannungen
mit den geeigneten Amplituden 1.t i, und A, vornimmt. Eine besondere Ausführungsform
ist möglich, wenn es sich lediglich darum handelt, die Wellen 1 und
11
voneinander zu trennen. Hier kann man das Empfangsorgan
für die Welle I in einer Entfernung riio aufstellen, wobei die Welle 1I nicht empfangen
wird, weil sie an dieser Stelle gemäß Abib. i gerade eine Nullstelle hat. Solche
einfachen Schaltungen sind, wie ohne weiteres einleuchtet, auch für die Trennung
von zwei anderen Wellen möglich.
-
Über die Ausführung der eigentlichen Empfangsorgane sind an sich keine
bestimmten Vorschriften zu machen. Es sei lediglich in diesem Zusammenhang bemerkt,
daß es zur Vergrößerung der Empfangsfeldstärke und zur Verbesserung der zirkularen
Symmetrie günstig ist, die Empfangsantennen zirkularsymmetrisch auszubilden. Beispielsweise
wird die Ausführung als Dipolkranz, wie er in Abb. 2 dargestellt ist, genannt, wobei
die einzelnen Dipole in der Art, wie dieses bei den großen Richtstrahlern üblich
ist, durch Energieleitungen geeigneten Phasenmaßes verbunden werden.
-
Die- zweite Art von Anordnungen zur Trennung der verschiedenen Wellenformen
gemäß der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
der einzelnen Wellen im Hohlrohr voneinander verschieden sind, daß sie also verschiedene
Wellenlängen besitzen. Dieses geht aus der zitierten Arbeit von C a r s an hervor.
Ein System von Empfangsorganen, das in der Rohrrichtung eine Periodizität gleich
der der Wellenlänge des empfangenen Zeichens besitzt, wird für diese Wellenlängen
einen besonders guten Empfang aufweisen. Für den Empfang der verschiedenen Wellen
werden also gemäß der Erfindung verschiedene Systeme von Empfangsorganen verwendet,
welche in der Rohrrichtung Periodizitäten besitzen. die mit der Periodizität der
zu empfangenden Welle identisch sind. Als Beispiel ist in der Abb. 3 die Anordnung
von drei Empfangssystemen für den Empfang der drei in Abb. r dargestellten Wellenlängen
erklärt. In dieser Abbildung sind a1, a2 . . . a," die Antennen für den Empfang
der Welle I, b1, b. . ; , b" die Antennen für den Empfang der Welle II und
cl, c2 . , . c" die Antennen für den Empfang der Welle III. Die Antennen können
an sich beliebige Formen haben, es ist nur nötig, daß die Leitungen, die ihren Empfang
kombinieren, das richtige Phasenmaß aufweisen. Die einzelnen Gruppen von Empfangsorganen
sind vorzugsweise in solchen Abständen z von der Rohrachse angeordnet, in denen
die Amplitude der zu empfangenden Schwingung möglichst groß ist. Wie aus Abb. r
hervorgeht, liegen die Maxima der einzelnen die verschiedenen Schwingungen darstellenden
Besselschen Funktionen auch auf verschiedenen Radien.
-
Die obengenannte Empfangsmethode wurde hier für eine Welle entwickelt,
welche gemäß Formel (i eine Komponente der elektrischen Feldstärke in Richtung der
Rohrachse aufweist. Es gibt unter den zirkularsymmetrischen Wellen aber auch Wellen,
welche eine solche Komponente nicht besitzen, die sogenannte TO-Welle; diese besitzt
eine Komponente des magnetischen Feldes in Richtung der Rohrachse. Für diese Welle
gelten entsprechende Überlegungen, welche hier nicht näher ausgeführt zu werden
brauchen, und es lassen sich entsprechende Anordnungen gemäß der Erfindung angeben,
welche zur Trennung der einzelnen Schwingungsformen dienen.