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Trichterstrahler für Sendung und Empfang elektrischer Wellen Die Erfindung
betrittt Trichterstrahler rechteckigen Querschnitts für Sendung und Empfang elektrischer
Wellen.
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Beim Senden oder Empfangen von Ausstrahlungen sehr kleiner Wellenlänge
ist es üblich, die Ausstrahlungen über eine rechteckige Wellenführung zu senden.
Wenn eine solche Wellenführung zur Ausstrahlung im freien Raum verwendet wird, wird
ein Strahlenbündel erzeugt, dessen Öffnungswinkel mit zunehmendem Querschnitt der
Wellenführung kleiner wird. Beim Senden eines schmalen Strahlenbündels oder eines
Richtstrahls werden deshalb Wellenführungen mit großen Querschnittsabmessungen erforderlich.
Wenn z. B. in der Größenordnung von 3 cm Wellenlänge in Form eines schmalen Strahlenbündels
ausgesendet werden soll, mag es erforderlich sein, den Querschnitt einer normalen
Wellenführung, der für diese Wellenlänge 25 )( 13 mm ist, auf etwa
910 X 76o mm zu vergrößern. Da eine Vergrößerung der Querschnittsabmessungen
einer Wellenführung unter Beibehaltung des Seitenverhältnisses eine Änderung der
Impedanz verursacht, ergeben sich Schwierigkeiten bei der Anpassung der Impedanz
des Wellentührungsteils mit großem Querschnitt an die Impedanz der Wellenführung
mit kleinerem Querschnitt, so claß nur die vorherrschenden Hlo-Wellen erhalten werden.
Die Impedanzanpassung kann erreicht
werden durch allmähliche Vergrößerung
der Querschnittsabmessungen der Wellenführung, bis die gewünschten großen Querschnittsabmessungen
erhalten werden in der Form eines Trichters, z. B. in der Form des bekannten Exponentialtrichters.
Zur möglichst vollkommenen Anpassung der Impedanz ist es jedoch erforderlich, daß
diese Trichter sich nur langsam ausweiten, so daß die zur Aussendung eines schmalen
Strahlenbündels erforderlichen Querschnittsabmessungen eine Trichterlänge ergeben,
die praktisch nicht ausführbar ist. Auch wenn in manchen Fällen eine vollkommene
Impedanzanpassung nicht erforderlich ist, so wird doch der Trichter zu lang.
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Der Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Trichters
für Sende- oder Empfangseinrichtungen zur Ausstrahlung sehr kurzer Wellenlänge,
bei der die Querschnittsabmessungen bis zu einem gewünschten Maß zur Aussendung
oder zum Empfang eines schmalen Strahlenbündels vergrößert sind, wobei jedoch die
Vergrößerung der Querschnittsabmessungen auf kürzerem Wege vorgenommen ist, als
er normalerweise für einen Trichter erforderlich wäre, dessen Impedanzanpassung
an die Wellenführung die gleiche ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Querschnittszunahme des Trichters nach
der Öffnung hin in einer Reihe von Stufen, von denen jede eine a- und eine b-Abmessung
aufweist, wobei a die größere ist. Jede Stufe besteht aus einem senkrecht zur Trichterachse
verlaufenden, ansteigenden und einem in Richtung der Trichterachse verlaufenden
Teil.
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Die Querschnittsabmessungen jeder Stufe müssen so gewählt werden,
daß der Wellenwiderstand jeder Stufenlänge der gleiche ist und die Länge jeder Stufe
so, daß sie einen Transformator (,=Wellenlänge) darstellt. Ferner
sind die a-Abmessungen der ansteigenden Teile der ersten und letzten Stufe so gewählt,
daß sie ein vorausbestimmtes übersetzungsverhältnis hervorbringen. Die a-Abmessungen
der ansteigenden Teile der Zwischenstufen sind so gewählt, daß sie Übersetzungsverhältnisse
hervorbringen, die gleich dem Quadrat der Übersetzungsverhältnisse der ansteigenden
Teile der ersten und letzten Stufe sind.
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Die Erfindung wird nun als Beispiel an Hand der Zeichnungen erläutert.
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Fig. i ist eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Trichters; Fig.
2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. i ; Fig. 3 ist einQuerschnitt
entlang derLinie 111-III der Fig. i.
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In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen i eine Wellenführung
mit rechteckigem Querschnitt der Querschnittsabmessungen a und b. Eine solche Wellenführung
kann zur Aussendung von Energie der Hl.- Wellen verwendet werden, wobei ihre Querschnittsabmessungen
für die Aussendung von Wellenlängen in der Größenordnung von 3 cm 25 X13 mm sein
können. Um von einer solchen Wellenführung eine Abstrahlung in Form eines schmalen
Strahlenbündels oder Richtstrahls zu erhalten, ist es nötig, die Querschnittsabmessungen
der Wellenführung beträchtlich zu vergrößern.
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Erfindungsgemäß werden diese Querschnittsabmessungen in einer Reihe
von Stufen, die mit 2 bezeichnet sind, vergrößert, bis die gewünschten Querschnittsabmessungen
erreicht sind, wie sie durch Form und .Richtungscharakteristik des erforderlichen
Strahlenbündels bestimmt werden. Jede Stufe besteht aus einem ansteigenden Teil,
der senkrecht zur Trichterachse, und einem Teil, der in Richtung der Trichterachse
verläuft. Die Querschnittsabmessungen jeder Stufe 2 und ihre Länge werden, wie nachfolgend
beschrieben, so festgelegt, daß eine Impedanzanpassung zwischen Wellenführung i
und dem durch die Stufenreihe 2 gebildeten Trichter erzielt wird. Für eine bestimmte
Art von Richtstrahl mag das offene Ende des in Fig. i bezeigten Trichters Querschnittsabmessungen
in der Größenordnung von 68 X 48 ein und eine Gesamtlänge von etwa 16 cm haben.
Die vorgesehene Impedanzanpassung zwischen einem derartigen Trichter und der Wellenführung
genügt für praktische Zwecke. Ein Exponentialtrichter mit der gleichen Impedan7anpassung
miißte mindestens zehnmal so lang sein wie der erfindungsgemäße Trichter. .
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Beim Entwurf eines erfindungsgemäßen Trichters muß folgendes berücksichtigt
werden: wenn eine rechteckige Wellenführung mit den Querschnittsabmessungen
a und b, in der die elektrischen Kraftlinien der durch die Wellenführung
ausgesandten Energie parallel zur Seite b verlaufen, mit einem anderen davon verschiedenen
Wellenführungsquerschnitt verbunden ist, wird eine Stufe gebildet, bei der die Änderung
in der a-Abinessung ihres ansteigenden Teils wie ein Transformator wirkt, dessen
Windungsverhältnis durch folgende Gleichung gegeben ist:
wobei
und a1 die größere der zwei a-Abmessungen ist.
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Das Übersetzungsverhältnis ist nur von den a-Abmessungen abhängig,
während die Impedanz sowohl von den a- wie auch den b-Alnnessungen abhängig ist,
woraus folgt, daß (las Übersetzungsverhältnis und die Impedanz durch geeignete Wahl
der a- und b-Abmessungen auf die gewünschten Werte eingestellt werden können. Bei
der praktischen Verwirklichung der Erfindung wird der Wellenwiderstand jeder Stufenlänge
des Trichters durch geeignete Wahl des Verhältnisses der a- und b-Abinessungen gleich
groß gemacht, und zwar zweckmäßig so groß wie der der Wellenführung. Jede Stufenlänge,
mit Ausnahme der letzten, erhält dieGrößevon
wobei A.' die Wellenlänge der Stufe ist, die der Betriebswellenlänge 2 im freien
Raum entspricht. Der ansteigende Teil der ersten Stufe im Trichter, d. h. also der
der Wellenführung am nächsten liegenden
Stufe, hat eine so große
a-Abmessung, daß das Übersetzungsverhältnis irgendeinen gewünschten Wert r2 hat.
Die ansteigenden Teile der nachfolgenden Stufen mit Ausnahme der letzten Stufe im
Trichter erhalten solche a-Abmessungen, daß das Übersetzungsverhältnis gleich dem
Quadrat der vorhergehenden Stufe ist, also gleich r4. Der ansteigende Teil der letzten
Stufe im Trichter hat eine a-Abmessung, durch die das gleiche übersetzungsverhältnis
wie bei der ersten Stufe, also r2, erhalten wird.
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Nimmt man im Falle einer Sendeeinrichtung an, daß die Wellenführung
von einer Strahlungsquelle gespeist wird, deren Impedanz an die Wellenführung angepaßt
ist, dann wird die Impedanz, von dem dem Trichter zugekehrten Ende der Wellenführung
aus gesehen, gleich Zo, d. h. gleich dem Wellenwiderstand der Wellenführung sein.
Am mit dem Trichter verbundenen Ende der Wellenführung ist dann ein ansteigender
Teil, der das Übersetzungsverhältnis r2 einführt, so daß die Impedanz Zo zu
wird. Da die Länge dieser Stufe gleich und ihre
Impedanz gleich Zo ist, hat sie die Wirkung eines
-'Transformators und macht den Wert zu
Der nächste ansteigende Teil ergibt ein Übersetzungsverhältnis von r4, so daß die
Impedanz Zo r2 zu
wird. Sie wird dann durch die Viertehvellenhinge der Stufe wieder in Zo r2 und durch
das nächste Übersetzungsverhältnis in
usw. umgewandelt, so daß bis zur Erreichung der letzten Stufe die Impedanz wechselweise
ZO r2 und ist. Der letzte ansteigende Teil mit einem Übersetzungsver-
hältnis von r2 verwandelt diese Impedanz wieder zu Zo. Die Länge der letzten Stufe
kann jede gewünschte Größe haben.
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Mittels dieser abwechselnden Ausnutzung der auf der Änderung der Querschnittsabmessungen
beruhenden und der auf der Länge jeder Stufe beruhenden Transformatorwirkung wird
die Impedanz des Trichters von der Wellenführung bis zum offenen Ende des Trichters
angepaßt. Die Querschnittsabmessungen dieses Endes sind für die Ausstrahlung eines
Strahlenbündels mit der gewünschten geringen Weite passend gewählt. Da die maximale
Anpassungsabweichung der Impedanz an jeder Stufe des Trichters nur Zo. r2 beträgt,
ist der erfindungsgemäße Trichter zur Sendung oder zum Empfang für einen großen
Frequenzbereich geeignet. Am ansteigenden Teil einer jeden Trichterstufe mögen gewisse
Wellenformen höherer Ordnung als die der Hio entstehen, doch werden sie minimal
gehalten, wenn man jeden ansteigenden Teil klein hält, z. B. k = i, i.
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Da in einem erfindungsgemäßen Sende- oder Empfangsgerät Hiö Wellen
verwendet werden sollen, ergibt sich, daß alle elektrischen Feldlinien im Trichter
parallel zu den Seiten b verlaufen. Wenn deshalb die Seiten b vertikal verlaufen,
kann eine vertikal polarisierte Welle gesendet oder empfangen werden. Wenn man in
einem solchen Falle wünscht, den Empfang von horizontal polarisierten Wellen zu
verhindern, kann man eine Reihe von Leisten, wie sie bei 3 in Fig. i gestrichelt
angedeutet sind, quer über dem offenen Ende des Trichters parallel zu den Seiten
a anordnen. Da diese Leisten im rechten Winkel zu den elektrischen Kraftlinien der
Hiö Wellen liegen, haben sie auf letztere keinen Einfluß, schließen jedoch jede
Hio-Form, die den Trichter erreicht, kurz. Es ist klar, daß der Trichter auch für
Sendung oder Empfang von horizontal polarisierten Wellen eingerichtet werden kann.