DE830361C

DE830361C - Linse fuer Funk-Richtantennenanlagen

Info

Publication number: DE830361C
Application number: DEP28905D
Authority: DE
Inventors: Winston Edward Kock
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1946-01-22
Filing date: 1948-12-31
Publication date: 1952-02-04
Also published as: FR937854A; US2736894A; CH279123A; BE470391A; NL72078C; GB650767A; ES176675A1

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 4. FEBRUAR 1952

p 28905 Villa/ 21Φ D

ist als Erfinder genannt worden

Diese Erfindung bezieht sich auf Anlagen zum gerichteten Senden von Wellen, und zwar auf bündelnde passive Refraktoren in Form von Antennensystemen mit Linsen für gerichtete Strählung.

Bekanntlich sind bisher passive oder Sekundärantennen, die mit Reflexion, Beugung oder Brechung arbeiten, in Anlagen mit Richtantennen benutzt worden, und zwar in Verbindung mit aktiven oder l'rimärantennen, um eine Strahlung in einer einzigen Richtung bzw. nach einer Seite zu erreichen, mit hoher Signalstärke in der gewünschten Richtung und mit Strahlungsbildern, deren Bereiche geringerer Strahlung verhältnismäßig klein sind, was eine entsprechende Richtwirkung bedeutet. So sind in Richtstrahlern parabolische Reflektoren mit zusammenhängender Metallfläche oder mit metallischem Gitter, Strahlenbeuger mit dielektrischen Zonenplatten, die mit einem festen Dielektrikum arbeiteten, sowie dielektrische Linsen benutzt worden, die ein festes Dielektrikum von gleichartigem Gefüge, z. B. Polystyren enthielten. Wenn auch im allgemeinen die vorstehend erwähnten passiv wirkenden Anordnungen mit Erfolg benutzt worden sind, so haben doch die Ergebnisse nicht völlig befriedigt. So ist insbesondere das Strahlungsbild des parabolischen Reflektors oft durch die Schattenwirkung der Primärantenne oder sog. speisenden Quelle beeinträchtigt worden, die notwendigerweise vor der Stirnwand des Reflektors aufgestellt ist. Außerdem ändert ein zufälliges leichtes Schrägstellen oder Verschieben des konkaven Reflektors oder sogenannten Tisches wesentlich die Richtung der stärksten Wirkung des Antennensystems. Wenn der parabolische Reflektor in einem abtastenden Radarsystem mit beweglicher speisender Quelle oder beweglichem Tisch benutzt ist, so können die Primärantenne und der Brennpunkt des Reflektors längs der Mittellinie des

Reflektors nur um einen verhältnismäßig kleinen Betrag verschoben werden, ohne eine in hohem Maße unerwünschte Abweichung des Bündels herbeizuführen. Bekanntlich erzeugt diese Art von Abweichung ein schädliches Bündel im Bereiche der geringeren Strahlung, wenn man das Strahlungs diagramm in der abtastenden Ebene zugrunde legt. Betrachtet man die vorstehend erwähnten vorbekannten Linsen, so ergibt sich, daß die Linse oder

ίο der Refraktor als passive Anordnung gegenüber dem Reflektor verschiedene Vorteile besitzt, obwohl die Bandbreite einer Linse nicht so groß ist wie die eines konkaven Reflektors. Insbesondere kann eine Linse in erheblichem Maße schräg gestellt werden, ohne die Richtwirkung zu beeinflussen. Bei abtastenden Systemen kann die Primärantenne um eine verhältnismäßig große Strecke von dem reellen Brennpunkt der Linse entfernt werden, ohne eine Abweichung des Bündels zu verursachen. Die vorbekannten Linsen mit festem Dielektrikum wie auch die vorbekannten Strahlenbeuger mit festem Dielektrikum haben jedoch verschiedene wesentliche Nachteile. Um diese zu erläutern, sei nur darauf hingewiesen, daß die Dämpfung der Wellen, die durch das feste Dielektrikum hindurchgehen, und der prozentuale Anteil der Reflexion an den beiden Oberflächen des dielektrischen Mediums im allgemeinen ziemlich hoch sind mit dem Ergebnis, daß der gesamte Energieverlust, einschließlich der Reflexionsverluste, beträchtlich ist. Außerdem sind feste Linsen verhältnismäßig teuer, werden leicht zerbrochen oder beschädigt und sind im allgemeinen schwer zu handhaben, besonders bei großen Abmessungen. Dementsprechend erscheint es jetzt wünschenswert, eine Ausführungsform einer passiven Antenne zu schaffen, die frei von den Nachteilen der bisherigen passiven Anordnungen ist, und insbesondere bündelnde Refraktoren zu erhalten, die billig, leicht gebaut, leicht zu handhaben sowie im wesentlichen verlustfrei sind.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, elektromagnetische Wellen in wirksamer und befriedigenderer Weise als bisher zu bündeln.

Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine kreisförmige oder kugelförmige Wellenfront in eine geradlinige oder ebene Welle umzuwandeln sowie auch umgekehrt, und zwar ohne die Wellen nennenswert zu dämpfen oder wesentliche Reflexionsverluste der ausgestrahlten Energie zu verursachen.

Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, in einer Antennenanordnung mit einer bündelnden passiven Antenne und einer aktiven Antenne die Schattenwirkungen der aktiven Antenne zu beseitigen, die Abweichung des Bündels auf ein Mindestmaß herabzusetzen und die Richtwirkung auch dann aufrechtzuerhalten, wenn eine kleine Drehung oder Verschiebung des bündelnden Gliedes stattfindet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das Nebensprechen oder andere Wechselwirkungen in Zwischenstationen zu vermeiden, bei denen das Antennensystem aus einem Paar von Rücken an Rücken angeordneten und entgegengesetzt gerichteten Antennen besteht, die als Empfangs- bzw. als Sendeantenne arbeiten.

Wenn hier der Ausdruck Wellenleiter benutzt wird, so bezeichnet er allgemein erstens eine leitende Verbindung, wie beispielsweise eine Eindräht- oder Zweidrahtleitung, oder eine koaxiale Leitung gebräuchlicher Art und zweitens eine j dielektrische Leitung, wie z. B. ein metallisches Rohr, das mit einem gasförmigen, flüssigen oder festen Dielektrikum gefüllt ist, oder einen bloßen dielektrischen Stab. Der Ausdruck dielektrischer Leiter bezeichnet im besonderen eine dielektrische Leitung, bei der das dielektrische Medium vollkommen von einem oder mehreren leitenden Teilen eingeschlossen ist, während der Ausdruck dielektrischer Kanal eine dielektrische Leitung bezeichnet, bei der das dielektrische Medium nur an zwei gegenüberliegenden Seiten durch leitende Teile begrenzt ist. Weiterhin bedeutet in Nachfolgendem der Ausdruck Stirnoberfläche oder Stirnfläche die Linsenoberfläche, die der Primärantenne abgewandt ist, und der Ausdruck rückwärtige Oberfläche oder Rückenfläche bezieht sich auf diejenige Oberfläche, die der Primärantenne zugewandt ist. Der Ausdruck Brennpunkt ist gemeinsam für den Brennpunkt in engerem Sinne wie auch für die Brennlinie. Gegenstand der Erfindung ist eine für Funk - Richtantennenanlagen bestimmte positive Linse mit einem Brechungsindex kleiner als 1, deren Besonderheit darin besteht, daß sie aus einem oder mehreren dielektrischen Kanälen gebildet ist, welche von parallelen, in der Polarisations- und Fortpflanzungsrichtung der Welle verlaufenden Metallplatten begrenzt sind, wobei die Abstände zwischen den vorderen und rückwärtigen Kanten dieser Platten so bemessen sind, daß die Platten eine die Brechung der Welle bewirkende Form erhalten.

Unter den verschiedenen vorzugsweise in Frage kommenden und mit Erfolg erprobten Ausführungsformen der Erfindung ist bei einer unter diesen die Linsenantenne ungleichförmig aufgebaut, und zwar enthält sie mehrere parallele, rechteckige dielektrische Kanäle, die längs einer waagerechten Linie senkrecht zu der gewünschten Richtung stärkster Strahlung angeordnet sind. Jeder Kanal ist oben und unten offen und wird durch die inneren Oberflächen von zwei senkrechten metallischen Platten oder Seitenwänden gebildet, wobei die dazwischen eingeschlossene Luft als Dielektrikum dient. Die Platten sind parallel zu der senkrechten elektrischen Polarisation der ausgesandten Welle, und sie besitzen voneinander einen waagerechten Abstand von mindestens einer halben Wellenlänge. Da das dielektrische Medium Luft ist, ist die Phasengeschwindigkeit in jedem Kanal größer als die Phasengeschwindigkeit im freien Raum, so daß der Brechungsindex, bezogen auf Luft, kleiner als 1 ist. In Punkten auf der Rückseite der Linse, die um eine Wellenlänge oder ein Vielfaches davon auseinander liegen, das größer ist als die Brennweite der Einheit, sind die Kanäle vorwärts um

etwa eine Wellenlänge abgestuft, und zwar in allen Ebenen, die die Linsenachse enthalten, so daß sich eine abgestufte Mehrzoneneinheitslinse ergibt. Betrachtet man irgendeine Zone, wie beispielsweise die erste oder mittlere Zone, so nimmt die Dicke oder Tiefe eines jeden Kanals, entsprechend der Ouerabmessung jeder Platte, in der senkrechten Ebene von einem Kleinstwert in der Mitte, d. h. bei der Linsenachse, zu einem Höchstwert an den

ίο äußersten Enden, d. h. an Spitze und Boden, zu. Insbesondere ändert sich die Kanaldicke oder -tiefe in einer vorbestimmten Weise, und zwar so, daß jeder Kanal eine positive konkave Einheitslinse bildet, die die Wellen in der senkrechten Ebene bündelt. In allen anderen Ebenen, die die Linsenachse enthalten, wie beispielsweise der waagerechten Ebene, ändert sich die Tiefe der parallelen Kanäle von einem Kleinstwert bei dem mittleren Kanal zu einem Höchstwert bei den Endkanälen, und zwar in der vorher beschriebenen Weise, so daß die Linse kreis- oder kugelsymmetrisch ist und sich in allen Ebenen eine gleiche bündelnde Wirkung ergibt. Insbesondere ist die Stirnfläche der Linse flach, während die Änderung der Tiefe in jeder Zone und in jeder durch die Achse gehenden Ebene elliptisch verläuft, so daß die Rückfläche konkav ist und die Form eines Ellipsoids besitzt, während die Platten verschiedene Querabmessungen und infolgedessen auch verschiedene Formen haben. Anders ausgedrückt ist die positive oder Sammellinse plankonkav, insbesondere planellipsoid-konkav. Jede Fläche der Kreislinse hat einen quadratischen Umfang. Die Linse ist in der öffnung eines pyramidenförmigen Hornes angeordnet, dessen Mundstück sich im Brennpunkt der kreissymmetrischen Linse befindet und in gewissem Sinne eine punktförmige Primärantenne darstellt. Im Betriel) werden die -Phasen der Wellenkomponenten, die durch die äußeren Teile der Linse hindurchgesandt werden, mehr beschleunigt, und zwar auf Grund der Zunahme der Phasengeschwindigkeit und der längeren Wege, die im Innern der Linse von diesen Komponenten durchlaufen werden, als die Phasen derjenigen Wellen, die durch den inneren Teil der Linse gesandt werden. Oder anders betrachtet, die Wellen in dem äußeren Teil der Linse werden zur Achse hin in stärkcrem Maße gebrochen als die Wellen, die durch den inneren Teil der Linse hindurchgehen.

So ergibt sich, daß eine ausgesandte divergierende Welle mit kugelförmiger Wellenfront oder eine eintreffende Welle mit ebener Front umgewandelt wird, und zwar in eine ebene Front bzw. in eine konvergierende Kugelfront, und es wird einHöchstmaß von Richtwirkung erreicht. Die Bandbreite der abgestuften Mehrfachzonenlinse ist etwa umgekehrt proportional der Zonenzahl. Im Vergleich mit einer vergleichbaren nichtabgestuften Mehrzonenlinse ist die Bandbreite der vorstehend beschriebenen abgestuften Linse ziemlich groß. Vorzugsweise hat der Brechungsindex einen Wert in der Größenordnung zwischen 0,5 und 0,7, beispielsweise 0,6, um die Reflexion an den Oberflächen der Linse auf einem Mindestwert zu halten. Die axiale Länge des pyramidenförmigen Hornes, das mit der beschriebenen positiven konkaven Metallplattenlinse ausgerüstet ist, beträgt etwa drei Meter für eine als Beispiel angenommene Wellenlänge von 7 cm, d. h. den zwanzigsten Teil der axialen Länge eines vergleichbaren Hornes bekannter Art, das mit dem günstigsten Winkel arbeitet und etwa 61 m lang ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung haben die Platten einer positiven, konkaven, abgestuften Linse alle die gleiche planelliptische Form, so daß die Linse zylindersymmetrisch ist. Die zylindrische Linse hat einen rechteckigen, aber im allgemeinen nicht quadratischen Umfang, und es ist in einer Linie mit einer Linse eine Primärantenne angeordnet.

Bei einer anderen Ausführungsform ist eine zylindrische Linse in ihrer äußeren Gestalt symmetrisch bikonkav, und die beiden positiven Brennweiten, die den beiden reellen oder konjugierten, je auf einer Seite der Linse liegenden Brennpunkten entsprechen, sind einander gleich. Die sammelnde Wirkung ist also auf den beiden Seiten der Linse genau die gleiche.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine zylindrische Linse benutzt, die um ihren Mittelpunkt schräg gestellt ist, um dadurch die von den beiden Oberflächen der Linse zurückgeworfene und unerwünschterweise von der Primärantenne und der daran angeschlossenen Verbindungsleitung aufgenommene Energie auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Primärantenne vom Brennpunkt der Linse um eine verhältnismäßig große Strecke fortgerückt, ohne eine nennenswerte Abweichung des Bündels herbeizuführen.

Bei einer weiteren Ausführungsform werden auf einer Zwischenübertragungsstation zwei pyramidenförmige Empfangs- bzw. Sendehörner benutzt, die Rücken an Rücken angeordnet sind, um das Nebensprechen zwischen den benachbarten bzw. den abgehenden und ankommenden Radioverbindungen zu vermeiden oder doch wenigstens auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

Die Erfindung wird besser zu verstehen sein, wenn die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung durchgelesen wird. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugszahlen Elemente von einander ähnlicher Bedeutung.

Fig. ι ist eine Ansicht im Schnitt von einer positiven, konvexen, optischen oder Radiolinse bekannter Art, die aus homogenem, festem dielektrischem Material besteht. Diese Linse wird in die Beschreibung miteinbezogen, um von dieser ausgehend die Erfindung besser erklären zu können;

Fig. 2 und 3 sind eine Seiten- und eine Vorderansicht einer einfachen Ausführungsform der Erfindung, die einen einzigen Kanal enthält, und zwar eine plankonkave Linseneinheit;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht der Einheitslinse nach Fig. 2 und 3, und zwar ist hier die Linse ge-. maß vorliegender Erfindung schräg gestellt;

Fig. 5 und 6 sind eine Seiten- und eine \^rorderansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und zwar handelt es sich hier um eine bikonkave planelliptische Metallplattenlinse, während Fig. 7 eine ebene Ansicht der linearen Primärantenne gibt, die mit der Linse nach Fig. 5 und 6 zusammenarbeitet;

Fig. 8 ist eine räumliche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einer konkaven, planellipsoiden Einzonenlinse kreissymmetrischer Ausbildung;

Fig. 9 ist ein durch Messung ermitteltes Strahlungsdiagramm der elektrischen oder £-Ebene, das bei der mittleren Frequenz des Arbeitsbandes der Linse nach Fig. 8 aufgenommen ist, während Fig. 10 ebenfalls ein durch Messung ermitteltes Bild der Richtwirkung darstellt, jedoch für die magnetische oder //-Ebene, und zwar auch hier bei mittlerer Frequenz des Arbeitsbandes der Linse nach Fig. 8;

Fig. 11 ist ebenfalls ein Richtwirkungsbild der //-Ebene, das bei einer anderen Frequenz innerhalb des Bandes der Linse nach Fig. 8 gemessen wurde;

Fig. 12 ist ein Richtwirkungsbild der //-Ebene für die Linse nach Fig. 8, gemessen bei der mittleren Frequenz, wobei die Primärantenne gegenüber dem Brennpunkt der Linse versetzt war;

Fig. 13 und 14 sind Vorder- und Rückenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die eine abgestufte konkave planellipsoidale Mehrzonenlinse betrifft;

Fig. 15 ist eine erläuternde Darstellung der Linse nach Fig. 13 und 14, und zwar in einer senkrechten Ebene, die etwa durch die Linsenachse verläuft, während Fig. 16 ein Bild von der gleichen Linse in einer waagerechten Ebene gibt, die ebenfalls die Linsenachse enthält;

Fig. 17 ist eine Schar von errechneten Kurven, die die Handbreitencharakteristiken einer nichtabgestuften Linse erläutern, wie beispielsweise der Linse nach Fig. 13, 14, 15 und 16, sowie einer nichtabgestuften Mehrzonenlinse, ferner einer abgestuften Linse, alles in Übereinstimmung mit der Erfindung, sowie andererseits auch eines nichtabgestuften und eines abgestuften Reflektors, die beide dem Stande der Technik entsprechen;

Fig. 18 und 19 bringen gemessene Richtwir-

kungsbilder der E- und der //-Ebene für die abgestufte Linse nach Fig. 13, 14, 15 und 16, und zwar unter Zugrundelegung der mittleren Frequenz des Arbeitsbandes der Linse;

Fig. 20 ist eine Gruppe von drei gemessenen Richtwirkungsbildern der £-Ebene, und zwar für die Linse nach Fig. 13, 14, 15 und 16, unter Zugrundelegung der mittleren Frequenz sowie auch der äußersten Frequenzen eines Zwölf-Prozent-Frequenzbandes;

Fig. 21 ist eine räumliche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einem pyramidenförmigen Horn, das mit der abgestuften kreissymmetrischen konkaven Linse nach Fig. 13J 14, 15 und 16 ausgestattet ist;

Fig. 22 dient nur zur Yeranschaulichung und zeigt den Unterschied zwischen den axialen Längen eines Homes mit einer Üffmmgslinse, die nach dem Grundgedanken der Erfindung gebaut ist, wie es Fig. 21 zeigt, und ein damit vergleichbares Horn der vorbekannten Art, das mit dem günstigsten Winkel arbeitet und nicht mit einer Linse ausgerüstet ist;

Fig. 23 veranschaulicht eine lineare oder Durchgangsverstärkeranlage mit mehreren Relaisstationen, von denen jede nach dem Erfindungsgedanken aufgebaut ist;

Fig. 24 ist eine schematische, räumliche Ansicht einer Relaisstation, wie sie bei der Anlage nach Fig. 23 benutzt ist. Sie enthält zwei Rücken an Rücken aufgestellte, zum Empfangen bzw. zum Senden dienende Hörner, von denen jedes dem in IMg. 21 dargestellten entspricht;

Fig. 25 ist eine erläuternde Seitendarstellung einer Relaisstation bekannter Art, die mit zwei Rücken an Rücken stehenden, paraboloidförmigen Reflektoren ausgestattet ist.

In Fig. ι bezeichnet die Ziffer 1 eine plankonvexe, optische oder Radiolinse bekannter Art aus Glas oder Polystyren, die bekanntlich eine positive oder Sammellinse mit einem reellen Brennpunkt darstellt. Wie es weiterhin in der physikalischen Optik bekannt ist, wirkt eine solche konvexe Linse in der Weise, daß sie gewisse Komponenten oder Strahlen eines sich ausbreitenden Bündels mehr als andere Strahlen verzögert. Diese Verzögerung spielt sich in der Weise ab, daß die parallelen Strahlen eines auf die flache Seite der Linse einfallenden Bündels gebrochen und in einem Punkt vereinigt werden. Dementsprechend werden die divergierenden Strahlen eines Bündels, die von einem einzigen Punkte ausgehend auf die konvexe Seite fallen, um verschiedene Beträge so gebrochen, daß sie Bündel paralleler Strahlen ergeben. Im einzelnen arbeitet, wie in der geometrischen Optik behandelt wird, die Linse 1 so, daß sie eine kreisförmige oder kugelförmige Wellenfront, wie sie durch die gebogenen Linien 2 dargestellt wird, in eine geradlinige bzw. ebene Wellenfront umwandelt, wie sie durch die Linie 3 veranschaulicht ist. Das gleiche gilt umgekehrt. Die'benachbarten Linien 2 wie auch die benachbarten Linien 3 veranschaulichen einander entsprechende Punkte, wie beispielsweise positive Knotenpunkte, die um eine Wellenlänge voneinander entfernt sind, wobei diese Wellenlänge im freien Räume bei der ankommenden kugelförmigen Welle bzw. bei der abgehenden ebenen Welle gemessen \vird. Die Linien 4 stellen entsprechende Punkte der Welle während ihres Durchgangs durch die Linse dar. Der Brechungsindex H₁ der Linse 1 ist größer als 1. Seine Phasengeschwindigkeitscharakteristik V₁ ist kleiner als die Phasengeschwindigkeitscharakteristik v₀ im freien Raum, das bedeutet mathematisch ausgedrückt

ι .

(i)

Ebenso ist die Wellenlänge /.,. gemessen in der Linse 1. kleiner als die W ellenlange /„, gemessen

im freien Raum. Beim Durchgang durch die Linse ι wird die Welle verzögert. Die gesamte Phasenverzögerung der Komponenten beim Durchgang durch die äußeren dünneren Teile der Linse ist kleiner als die gesamte Phasenverzögerung der Wellen beim Durchgang durch den inneren Teil, der die Achse enthält. Infolgedessen wird eine kugelförmige Wellenfront, die vom Brennpunkt der Linse ausgeht und auf die konvexe Oberfläche der Linse auffällt, in eine ebene Wellenfront umgewandelt. Ebenso wird die ebene Front einer ankommenden Welle, die sich senkrecht zur ebenen Oberfläche fortpflanzt, in eine kugelförmige Welle umgewandelt. Bekanntlich kann eine solche Linse der gebräuchliehen Art, anstatt plankonvex zu sein, auch symmetrisch bikonvex sein, wie durch die gestrichelte Linie 5 angedeutet.

In Fig. 2 und 3 bezeichnet die Bezugszahl 6 einen dielektrischen Kanal oder eine Einheitslinse, die zwei senkrechte Metallplatten 7 enthält. Die zwischen diesen eingeschlossene Luft dient als dielektrisches Medium. Die Platten besitzen voneinander in waagerechter Richtung einen Abstand a, der größer ist als die Hälfte der größten Wellenlänge I₀ innerhalb des benutzten Frequenzbandes. Die Platten erstrecken sich in Längsrichtung in Ebenen parallel zur elektrischen Polarisation der Welle, die als senkrecht angenommen ist.

Die Abmessung α erstreckt sich senkrecht zu der vorgenannten Polarisation. Natürlich kann die Polarisation auch anders verlaufen als senkrecht, so z. B. waagerecht. Die obere Seite 9 und die untere Seite 10 des Kanals 6 sind elektrisch offen. Die Platten werden in ihrer Lage durch Holzteile 11 festgehalten. Die Breite oder Querabmessung der Platten, die also der Tiefe der Kanäle und der Linsendicke entspricht, verläuft parallel zur Fortpflanzungsrichtung einer ankommenden Welle bzw. der gewünschten Richtung 13 einer austretenden Welle. Die Bezugszahlen 14 und 15 bezeichnen die Achse und den Brennpunkt, die Zahlen 16 und 17 die Stirnseite und die Rückseite der Linseneinheit 6. Wie später ausgeführt, ist die Stirnseite 16 eben und die Rückseite 17 konkav, und zwar ist das Profil, d. h. die Krümmung 18 der Rückseite, elliptisch. Die nicht abgestufte Linse 6 möge eine oder mehrere Zonen haben je nach der Wellenlänge, der Brennweite und der öffnungszahl der Linse. Unter der Öffnungszahl wird hierbei das Verhältnis der Brennweite / zur öffnung oder Weite L der Linse verstanden. Es kann mit der Linse nach der Erfindung eine öffnungszahl bis herunter zu 0,5 erreicht werden, während bei optischen Systemen die kleinste im allgemeinen erreichbare öffnungszahl 1,5 beträgt. Die Bezugszahl 19 bezeichnet eine punktförmige Primärantenne, beispielsweise eine Antenne in Form eines konischen Hornes, die im Brennpunkt 15 angeordnet ist und mittels des dielektrischen Leiters 20 mit einer Übertragungsanordnung 21, beispielsweise einem Sender oder Empfänger, verbunden ist.

Wenn Luft als dielektrisches Medium benutzt ist, deren Dielektrizitätskonstante die Einheit bildet, so sind die Phasengeschwindigkeit ν und die Wellenlänge λ im Kanal größer als die Phasengeschwindigkeit ^₀ und die Wellenlänge I_n im freien Raum. Der Brechungsindex η ist daher kleiner als 1, nämlich

η =

ι .

(2)

Nun gilt für einen zweiseitigen dielektrischen Kanal wie auch für einen gebräuchlichen vierseitigen luftdielektrischen Leiter die Beziehung

(3)

Es ist also der Brechungsindex η eine Funktion von a. Da η kleiner als 1 ist, so ist die Linse 6 in gewissem Sinne die Umkehrung der vorbekannten festen Linse nach Fig. 1. Eine konkave Metallplattenlinse wie die Linse 6 wird also bewirken, daß parallele Strahlen konvergierend gemacht werden, und eine konvexe Metallplattenlinse wird die Strahlen divergieren lassen. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 2 der Abstand zwischen den entsprechenden Punkten der Wellenfronten 4 innerhalb der Linse größer ist als der Abstand zwischen den Wellenfronten im Raum, während, wie vorstehend dargelegt, bei den vorbekannten Linsen nach Fig. 1 der Abstand zwischen den Wellenfronten in dieser Linse kleiner ist als der Abstand zwischen den Fronten 2 oder 3.

Betrachtet man das Profil 18 der Rückseite 17 der Linse, so zeigt sich, daß die Phasen der Strahlen oder Wellen, die von dem Linsenbrennpunkt 15 ausgehen und durch die Linse 6 nach Fig. 2 hindurchgehen, gleich sind, wenn sie in einer Ebene 22, die parallel zur Stirnfläche 16 liegt, ankommen. Das bedeutet

Hierin bezeichnet / die Brennweite, während χ und y die in Fig. 2 gezeigten Abstände bezeichnen. Daraus ergibt sich die Beziehung

(i — n*)*· —2(1—»)/"*+y» = o, (5)

wenn η den in Gleichung (2) angegebenen Wert besitzt. Gleichung (5) ist die Gleichung einer Ellipse, die für den Wert y = ο einen Krümmungsradius p hat von

Hierbei wird der Koordinatenanfangspunkt

χ = ο

(6)

(7)

y = 0 (8)

im Scheitelpunkt 23 der Ellipse angenommen. Es wird hier darauf hingewiesen, daß der Linsenbrennpunkt 15, d. h. der Brennpunkt für elektro-

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magnetische oder optische Wellen, mit keinem der beiden mathematischen Brennpunkte der Ellipse nach Gleichung (5) zusammenfällt. Demgegenüber liegen bei einem Parabolreflektor der Reflektorbrennpunkt und der mathematische Brennpunkt der Parabel in ein und demselben Punkte. Die Mittellinien der Ellipse nach Gleichung (5) verlaufen natürlich parallel zur Stirnfläche 16 der Linse 6. Unter der Annahme, daß die Anordnung 21 einen Sender darstellt, werdten im Betrieb durch diesen Sender 21 über den dielektrischen Leiter 20 zu dem konischen Horn 19 Wellen ausgesandt, die eine senkrechte elektrische Polarisation aufweisen, wie durch Pfeile 24 angedeutet, und gegen die konkave Fläche 17 der Linseneinheit 6 ausgesandt. In der senkrechten Ebene durch die Achse 14 ist diese von dem Horn 19 ausgehende Wellenfront kreisförmig. Die verschiedenen Strahlen, wie beispielsweise die äußeren Strahlen 25 und 26, divergieren. Nach Eintritt und Durchgang durch die Linse 6 werden sie so abgebogen, daß sie dann parallel zur Achse 14 verlaufen, wie es die Pfeile 27 und 28 zeigen. Dadurch entsteht eine austretende Welle 12, die eine ebene Wellenfront 3 besitzt. Der Strahl 30, der längs der Linsenachse 14 verläuft, und zwar in einer Richtung senkrecht zu dem im Scheitelpunkt 23 liegenden Ausschnitt der Oberfläche, wird in der Linse 6 nicht gebrochen. Näher betrachtet bedeutet das, daß jeder der divergierenden Strahlen, wie beispielsweise der Strahl 25, in seiner Phase im Vergleich zu der Phase des Bezugsstrahles beschleunigt wird, und zwar infolge des Zuwachses ν-V₀ der Phasengeschwindigkeit und auf Grund des Unterschiedes zwischen der Linsendicke in der Achse, die durch den Bezugsstrahl 30, und der Linsendicke in anderen Punkten als der Achse, die durch die verschiedenen divergierenden Strahlen durchquert wird. Alle diese divergierenden Strahlen kommen daher in der Ebene 22 mit der gleichen Phase an wie der Bezugsstrahl. Da die Linse planelliptisch ist, sind die Weglängen bzw. die Linsendicken t, die von den Strahlen durchquert werden, in einer solchen Weise voneinander verschieden, daß die Phasen der verschiedenen anderen Strahlen um unterschiedliche Beträge beschleunigt werden und mit gleicher Phase in der Ebene 22 ankommen. Dadurch wird ein Höchstmaß an richtender Wirkung in der Richtung 12 erreicht. Nimmt man an, daß die Anordnung 21 einen Empfänger darstellt, so spielt sich beim Empfang der entsprechende Vorgang in umgekehrtem Sinne ab. Wird also hierbei davon ausgegangen, daß eine ankommende ebene Welle eine Richtung 13 senkrecht zu der ebenen Stirnfläche 16 besitzt und so auf diese Fläche auftrifft, so durchlaufen die Wellen die Linse zunächst ohne Brechung. Wenn sie dann aber aus der Linse auf der rückwärtigen Fläche 17 austreten, so werden sie abgelenkt und auf die punktförmige Primärantenne 19 im Brennpunkt 15 vereinigt.

Wird nun wieder angenommen, daß die Anordnung 21 ein Sender ist, so möge die Linse schräg gestellt werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Dadurch wird der Anteil der durch das Horn 19 ausgesandten Energie, der teils durch die Stirnfläche 16 und teils durch die Rückfläche 17 der Linseneinheit 6 in das Horn 19 reflektiert wird, auf einen Mindestwert herabgesetzt. Diese hier erwähnte Reflexion wird in erster Linie durch den Wechsel in der Phasengeschwindigkeit verursacht, dem die Wellen an der Oberfläche der Linse unterliegen, wenn eine Welle aus einem Medium mit einer bestimmten Charakteristik der Phasengeschwindigkeit in ein anderes Medium mit einer anderen Charakteristik der Phasengeschwindigkeit übergeht, denn die durch die dünnen Kanten der Metallplatten verursachte Reflexion ist vernachlässigbar klein. In Fig. 4 ist die Linse um den Mittelpunkt der Stirnfläche 16 gedreht, so daß der Scheitelpunkt 23 sich verschiebt und die Linsenachse die gezeichnete Lage einnimmt. Die Brennpunkte für Wellen, die zum Teil durch die beiden Oberflächen der Linse reflektiert werden, liegen auf der Linie 31. Diese schließt mit der Achse 14 einen Winkel ein, der dem Winkel zwischen der Achse 14 und der ursprünglichen Lage 32 der Linsenachse gleich ist. Mit anderen Worten: Der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel sind einander gleich. Die Rückseite 17 arbeitet als konkaver Teilreflektor. Die durch sie zurückgeworfenen Wellen sammein sich im Punkt 33. In entsprechender Weise wirkt die Stirnfläche 16 als ebener Reflektor. Die Wellenteile, die durch die Linse hindurch diese Fläche erreichen und wieder durch die Linse zurückgesandt werden, vereinigen sich im Punkt 34. Wenn die Linse nicht schräg gestellt wäre, so würden sich die durch die Stirnfläche 17 zurückgeworfenen Wellen natürlich auf das Horn 19 im Linsenbrennpunkt 15 vereinigen. Infolge der Schrägstellung ist also die Stärke der Rückwirkung auf das Horn 19 und den Leiter 20 auf einen Mindestwert herabgesetzt, wodurch stehende Wellen im Leiter 20 vermindert werden und die Linse 6 im wesentlichen an das Horn 19 angepaßt ist. Gleichzeitig aber beeinflußt die Schrägstellung der Linse die richtende Wirkung der Anordnung nicht nennenswert. So werden die ausgesandten divergierenden Strahlen 25 und 26 in der Linse in Richtung gegen den dünneren Teil der Linse gebrochen, so daß sie sich nach Austritt aus der Stirnfläche 16 in Richtung parallel zu der ursprünglichen Achse 32 und der Richtung 12 und senkrecht zur Wellenfront 4 fortpflanzen. Betrachtet man im einzelnen die Strahlen 35 und 36, die in Punkten 37 und 38 auf der kreisförmigen Wellenfront 2 in Phase sind, so sieht man, daß der Strahl 35 beim Weiterwandern von Punkt 37 zu Punkt 39 und der Strahl 36 beim Weiterwandern von Punkt 38 zu Punkt 40 etwa mit gleicher Phase eintreffen. In der Praxis wurde festgestellt, daß eine bestimmte Linse aus der Lage der Fig. 2, bei der also die Mittelpunkte beider Linsenoberflächen und der Mittelpunkt der Hornöffnung in einer Linie liegen, bis zu einem Betrag von 33⁰ schräg gestellt oder gedreht werden kann, ohne daß schädliche Wirkungen eintreten.

In den Fig. 5 und 6 bedeutet die Bezugszahl 41 eine bikonkave Linse, die mehrere übereinstimmende Linseneinheiten 42 enthält. Jeder Kanal besteht aus zwei bikonkaven, senkrechten Metallplatten 43 mit einer Füllung von dielektrischem Material, wie beispielsweise Polystyrenschaum 44. Dieser möge mit den Platten 43 verbunden sein. Er wird an Stelle von Luft als dielektrisches Medium benutzt. Der Schaum hat eine Dielektrizitätskonstante von 1,018, also praktisch etwa von i. In Fig. 5 ist die planelliptische Linseneinheit 6 der Fig. 2 zum Zweck des Vergleiches durch die strichpunktierte Linie 45 angedeutet. Wie diese Figur zeigt, ist die Dicke t der bikonkaven Einheit 42 oder Linse 41 etwa in der gleichen Weise unterschiedlich wie diejenige der plankonkaven Einheit 6, wobei die Linse 41 symmetrisch konkav ist. Die Linse 41 hat zwei horizontale, konjugierte Brennpunktlinien 46 und 47, die von der Linse den gleichen Abstand besitzen. Die Bezugszahl 48 bezeichnet ein flaches oder sogenanntes Sektorenliorn, das mittels eines Leiters 20 an eine Ubertragungsanordnung 21 angeschlossen ist und dessen linear verlaufende öffnung in einer Linie mit der Linie 46 der Brennpunktlinie liegt. In Fig. 7 ist dieses Horn 48 in ebener Ansicht gezeigt. Es ist, wie ersichtlich, in der waagerechten Ebene angeordnet. Die Bezugszahl 49 bezeichnet ein anderes sektorförmiges Horn, ähnlich dem Horn 48. Dieses Horn 49 ist mit einer anderen Anordnung 21 verbunden. Seine öffnung liegt in einer Linie mit der Linie 47 der Brennpunkte.

Im Betriebszustand, wie er in Fig. 5 veranschaulicht ist, wird unter der Annahme, daß die Anordnungen 21 Empfänger seien, eine ebene ankommende Welle mit der Richtung 50 durch die Linse 41 auf der Brennpunktlinie 46 vereinigt und durch das Horn 48 aufgenommen, wie es die Pfeile 51 zeigen. Eine ebene ankommende Welle mit umgekehrter Richtung 52 wird durch die Linse 41 auf der Brennpunktlinie 47 vereinigt und durch das Horn 49 aufgenommen, wie es die Pfeile 52 zeigen. Nimmt man umgekehrt an, daß die Anordnungen 21 Sender darstellen, so wird eine zylindrische Wellenfront, die in der senkrechten Ebene kreisförmig und in der waagerechten Ebene geradlinig ist und die vom Horn 48 ausgeht, durch die Linse in eine ebene Welle mit der Richtung 53 umgewandelt. Eine von dem Horn 49 ausgehende zylindrische Welle wird in eine ebene Welle mit der Richtung 54 umgewandelt. Da jedes Horn ein waagerechtes, fächerförmiges Bündel erzeugt und die Linse ein senkrechtes fächerförmiges Bündel, so ist das im Endergebnis entstehende Bündel ein punktförmiges Bündel, wodurch die Anordnung in hohem Maße in einem einzigen Sinne gerichtet ist, und zwar sowohl in der£- als auch in der//-Ebene. Es sei hervorgehoben, daß, während die Linse 6 in Fig. 2 und 3 ein Paar konjugierter Brennpunkte besitzt, das Bündeln einer ebenen, auf die konkave Oberfläche auftreffenden Welle in dem auf der flachen Linsenseite liegenden Brennpunkte bei unerwünschter Ablenkung zu einer Zerstreuung führt.

Demgegenüber erfolgt bei dem System nach Fig. 5, 6 und 7 das Bündeln in jedem der Brennpunkte scharf und infolge der Symmetrie der beidseitigen Linse frei von der vorerwähnten Abweichung.

In Fig. 8 bezeichnet die Bezugszahl 55 eine planellipsoidale Einzonenlinse, die mehrere senkrechte, planelliptische dielektrische Kanäle enthält, von denen jeder dem Einheitskanal 6 nach Fig. 2 und 3 ähnelt. Die Rückseite 16 der Linse 55 ist flach, und die Krümmung der konkaven Stirnfläche 17 ist elliptisch in der elektrischen Ebene (/!-Ebene) und auch elliptisch in der magnetischen Ebene (//-Ebene). Mit anderen Worten: Da die konkave Oberfläche ellipsoidal ist, d. h. flach kugelförmig, und zwar in jeder Ebene, die die Achse 14 enthält, ist die elliptische Krümmung die gleiche. Die konkave Oberfläche entspricht daher derjenigen Fläche, die man durch Drehen einer Ellipse um ihre Achse erhält. Daher kann bei der praktischen Ausführung die MetallplattenHnse leicht aus einem blockförmigen Körper geschnitten oder gedreht werden, indem man ein umlaufendes ellipsenförmiges Schneidwerkzeug verwendet. Ebenso wie in den Fig. 2 und 3 wird eine punktförmige Primärantenne 19 benutzt, um die Linse anzustrahlen oder Energie daraus aufzunehmen.

Beim Empfang arbeitet die Linse 55 so, daß sie die in allen Ebenen einschließlich der E- und der //-Ebene ankommenden Wellen auf die Primärantenne 19 sammelt. Beim Senden erfolgt der umgekehrte Vorgang. Wenn das Horn 19 längs einer geraden Linie 56 oder längs einer kreisförmigen Linie 57 in eine der durch die Zahlen 58 und 59 bezeichneten Stellungen bewegt wird, wie es bei abtastenden Systemen der Fall ist, so wird die gleiche bündelnde Wirkung erzielt, aber es ändert sich die Richtung der stärksten Wirkung, wie durch die Pfeile 60 und 61 gezeigt. Wie unten näher erläutert, hat das System nach Fig. 8 eine punktförmig bündelnde und richtende Kennlinie. In dieser Verbindung sei hervorgehoben, daß ein Verschieben oder Bewegen des Hornes 19 von der Linsenachse 14 fort, wie in Fig. 8, die Richtung der stärksten Wirkung ändert, während ein Schrägstellen der Linse innerhalb gewisser Grenzen, so wie in Fig. 4, die Richtung der stärksten Wirkung nicht beeinflußt. In einem abtastenden System kann mit Hilfe der Linse nach Fig. 8 ein großer Abtastsektor überblickt werden, und es kann auch das Horn 19 des Linsensystems nach Fig. 8 von dem Brennpunkte 15 oder der Achse 14 um eine größere Strecke fortbewegt werden, als es möglich ist, in einem System mit parabolischem Reflektor das Horn zu bewegen, ohne eine nennenswerte Verschiebung des Bündels zu bewirken. Infolgedessen ist unter diesem Gesichtspunkt eine Linse der in Fig. 8 gezeigten Art gegenüber dem Reflektorsystem für den Gebrauch iao in einem konischen Abtastsystem oder in einem linearen, d. h. einem in einer einzigen Ebene arbeitenden Radarabtastsystem vorzuziehen.

Fig. 9, 10, 11 und 12 zeigen die Strahlungsbilder in der /!-Ebene und in der //-Ebene. Die Fig. 9 und 10 sind bei der gleichen Wellenlänge von

830 36!

3-4 ^{cm tur} das Einzonensystem nach Fig. 8 aufgenommen. Die Zahlen 62 bezeichnen die Hauptstrahlungsfläche und die Zahlen 63 die Nebenstrahlungsrlächen. Die Nebenstrahlungsflächen sind in beiden Strahlungsbildern um etwa 19 Decibel niedriger und daher verhältnismäßig klein und vernachlässigbar. Die Breiten halber Stärke der beiden Hauptstrahlungsflächen 62, gemessen in den Drei-Decibel-Punkten 64, sind etwa einander gleich, woraus sich ergibt, daß das Bündel, wie vorher festgestellt, als punktförmig anzusprechen ist. Die Breite halber Stärke beträgt etwa 4,6°, und das Bündel ist daher verhältnismäßig schmal. Die Richtverstärkung beträgt etwa 29,6 Decibel und ist

»5 daher verhältnismäßig groß. Die Linse 55 arbeitet auch über einen Frequenzbereich hinweg durchaus zufriedenstellend, da das in Fig. 11 gegebene Strahlungsbild der //-Ebene, das bei einer Wellenlänge von 3,095 cm aufgenommen ist, durchaus günstig

ao mit dem Strahlungsbild der mittleren Frequenz in der //-Ebene nach Fig. 10 übereinstimmt. Fig. 12 veranschaulicht das Strahlungsbild in der //-Ebene, das mit dem Horn 19 der Fig. 8 erhalten wurde, und zwar bei Verschiebung aus dem Linsenbrennpunkt, in der Stellung 59. Das Strahlungsbild nach Fig. 12 ist nicht nennenswert verschieden von demjenigen nach Fig. 10, so daß eine Verschiebung des Hornes aus der Linsenachse die Richtwirkung nicht ungünstig beeinflußt.

In Fig. 13, 14, 15 und 16 bezeichnet die Kennziffer 65 eine kreissymmetrische, abgestufte Mehrfachzonenlinse von quadratischem Umfang und mit einer großen Anzahl dielektrischer Kanäle, wobei zur Erläuterung 60 solcher Kanäle gezeichnet sind. Jeder Kanal ist ähnlich der Einheitslinse 6 nach Fig. 2 und 3 und wird durch ein Paar abgestufter Metallplatten 67 gebildet, die eine halbe Wellenlänge oder mehr voneinander entfernt sind. Wie aus Fig. 16 hervorgeht, sind nicht zwei der Platten 67 einander in Form oder Krümmung gleich. Soweit es sich um die Plattenumrisse handelt, stellt Fig. 15 also nur eine einzige Platte dar, nämlich die Platte 68, die der Linsenachse 14 in Fig. 13 und 14 benachbart ist. Die Platten werden in ihrer Lage durch einen hölzernen Rahmen 11 und hölzerne Querverbindungen oder Pfosten 11 gehalten. Die Linse ist in radialer Richtung abgestuft, d. h. in allen Ebenen, die die Linsenachse 14 enthalten. In Fig. 14 bezeichnen die Kennziffern 69 bis 76 einschließlich die konzentrischen äußeren oder Rückenlinien der Zonen. Wie in Fig. 14, 15 ■ und 16 dargestellt, hat die Linse 65 fünf konzentrische Zonen Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ und Z₅ in der senkrechten Ebene, fünf ebenso bezeichnete Zonen in der waagerechten Ebene und neun Zonen, die mit Z₁ bis Z₉ einschließlich bezeichnet sind, in der schrägen Ebene der Diagonalen 78 in Fig. 14. Die Linse kann natürlich in irgendeiner Ebene eine unterschiedliche Zahl von Zonen aufweisen. Wie zu erläutern ist, liegen die Stirnflächen der Zonen, d. h. die angeschnittenen Flächen, auf verschiedenen elliptischen Kurven. Wie In Fig. 2 und 8 ist eine punktförmige Primärantenne 19 im Brennpunkt 15 der Linse nach Fig. 13, 14, 15 und 16 angeordnet, wie in Fig. 15 gezeigt.

Wie unten mathematisch nachgewiesen wird, hängen die Zahl m der Zonen in einer gegebenen Linse und die Lage der Zonenabgrenzungslinien 69 bis 76 einschließlich von dem Brechungsindex η und der Wellenlänge /₀ im freien Raum ab. Die angenäherte Regel, die auf eine Linse anwendbar ist, um die Zonenzahl m und die Lage der Zonenbegrenzungslinien zu ermitteln, ist folgende: Unter der Annahme, daß die Linsendicke im Scheitel 23 gleich ο ist und nach außen, d. h. radial vom Scheitel aus, zunimmt, ergibt sich die erste Zonengrenze 69 in demjenigen Punkte, in dem die Linsendicke D etwa eine Wellenlänge beträgt, oder genauer

;

Unter der Annahme, dall die Linse jetzt um eine Strecke I) nach rückwärts bis zu der Ebene des Scheitels zurückspringt und dann nach außen längs einer anderen Ellipse fortschreitet, wird die Lage der zweiten Zonengrenze 70 in demjenigen Punkt erreicht, in dem die Linsendicke wieder gleich dem Wert D ist. Zur Gegenüberstellung sei darauf hingewiesen, daß die Zonen eines parabolischen Mehrzonenreflektors sich in mancherlei Hinsicht von den Zonen der Linse unterscheiden, da die Zonenlagen bei einem Reflektor nicht von dem Brechungsindex abhängen. Auch wird bei dem abgestuften Reflektor eine Abstufung um eine halbe Wellenlänge benutzt, während die Abstufungen bei der Linse eine ganze Wellenlänge betragen. Weiterhin ist die Bandbreite einer nicht abgestuften oder abgestuften Mehrzonenlinse umgekehrt proportional der Zonenzahl. Das Abstufen der Linsenzonen nach der Erfindung erhöht die Bandbreite der Linse. Demgegenüber hat ein nic'htabgestulter parabolischer Reflektor eine unbegrenzte Bandbreite, und das Abstufen eines Reflektors vermindert seine Bandbreite. Wenn ein großer Mehrzonenparabolreflektor abgestuft wird, so geschieht es im allgemeinen nur, um seine Dicke zu verringern. Bei einer Mehrzonenlinse hingegen wird das Abstufen in erster Linie vorgenommen, um die Bandbreite zu erhöhen, und erst in zweiter Linie, um ihre Dicke herabzusetzen. Außerdem ist das Abstufen einer Primärlinse oder einer Ausgleichslinse in hohem Grade für eine zusammengesetzte oder achromatische Linse von Vorteil.

Im einzelnen sei nun nachstehend dargelegt, daß die vorerwähnte tatsächliche Zonendicke D der abgestuften Mehrfachzonenlinse und die wirksame Breite der mittleren Platte 68 in Fig. 15, die mit dem senkrechten Axialschnitt zusammenfällt, sowie die wirksame Zonendicke D in dem waagerechten Axialschnitt nach Fig. 16 sich folgendermaßen ergeben: Unter Bezugnahme auf Fig. 15 sei angenommen, daß der Strahl 80 von dem Horn 19 aus völlig durch den freien Raum wandert, und zwar mit einer Phasengeschwindigkeit ^₀, und daß der Strahl 81 von dem Horn 19 aus die Strecke der

Brennweite / durch den freien Raum wandert und dann eine Strecke ü durch den Einheitskanal, wie er durch einen gebrochenen Plattenausschnitt 82 dargestellt ist. Die Zeit, die der Strahl 80 und diejenige, die der Strahl 81 benötigt, um den Scheitelpunkt 23 zu erreichen, sind einander gleich. Die Zeit t_v die der Strahl 80 benötigt, um die Strecke /) im freien Raum zu durchlaufen und den Punkt 83 zu erreichen, beträgt

(10)

Die Zeit t₂, die der Strahl 8i benötigt, um die Strecke /) innerhalb des Linsenkanals zu durchlaufen und den Punkt 83 zu erreichen, beträgt

i, =

Es ist nun aber

Daher gilt

Die Differenz

h — h

(12)

(13)

(14)

sollte gleich derjenigen Zeit sein, die ein Strahl benötigt, um im freien Raum eine Strecke zurückzulegen, die gleich einer Wellenlänge, gemessen im freien Raum, ist, d. h.

oder

D I) _ I₁,

V₁, V V_n

I) i-

V₁,

(15)

(If))

(17)

Es gilt nun aber

so daß

ι — η

Nimmt man nun an, daß der Brechungsindex η unabhängig ist von der Wellenlänge, so ändert eine Änderung der Wellenlänge A₀ nur die rechte Seite der Gleichung (17). So bewirkt für die erste Zone Z_a eine Änderung von X₀ zu 1,25 A₀ einen Phasenunterschied in der Wellenfroht von 90⁰, d. h. von /,/4. Für die m-te Zone wird der Betrag auf der rechten Seite der Gleichung (17) gleich dem Produkt von m und /₀, d. h. gleich m I₀. Wenn die Zahl der Zonen zunimmt, so wird infolgedessen der Phasenunterschied größer, und die Bandbreite ist daher proportional dem Ausdruck

ι
m

(20)

Beispielsweise die Linse nach Fig. 13, 14, 15 und 16 mit fünf Zonen erzeugt eine Einphasenfront innerhalb von weniger als 45⁰ oder k_o/8 über ein Frequenzband von 6%.

In Fig. 15 bezeichnet die Kennziffer 84 eine nichtabgestufte Mehrzonenplatte, die in öffnung und Zonenzahl vergleichbar der in fünf Zonen abgestuften Platte 68 ist und die hier zum Zwecke der Erläuterung gezeichnet ist. Die Platte bildet einen Teil eines Kanals und hat eine größte Dicke T von ungefähr fünf Wellenlängen oder 5 D. Die fünf Zonen der nichtabgestuften Platte oder Einheit sind bezeichnet mit F₁, Y₂, Y₃, F₄ und F₅. Hervorzuheben ist, daß die Zonen F₁, F₂, F₃, F₄ und F₅ sich in den radialen Weiten von den Zonen Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ und Z₅ der abgestuften Platte 68, deren größte Dicke D beträgt, unterscheiden. Dieses geht aus der Tatsache hervor, daß die nic'htabgestufte Platte 84 eine konstante Brennweite /₅ hat, während die abgestufte Platte fünf verschiedene Brennweiten f_v /₂, /₃, /₄ und /₅ besitzt. Die Brennweite f_t der ersten Zone Z₁ der abgestuften Platte ist etwa um fünf Wellenlängen oder 5 D kürzer als die einzige Brennweite f₅ der nichtabgestuften Platte, und die Brennweitef /₅ der fünften Zone Z₅ ist gleich der Brennweite der nichtabgestuften Platte. Die größte Breite der Platte 68 und die größte Dicke t der Linse 65 sind vorzugsweise größer als D, indem nämlich der abgestuften Platte eine Dicke ; hinzugefügt wird, um die mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Zur Erläuterung jedoch wird die Dicke D als die wirksame Dicke der Linse 65 betrachtet. In Fig. 15 bezeichnen die Kennziffern 85, 86, 87, 88 und 89 die Ellipsen, die den angeschnittenen Flächen 90, 91 92, 93 und 94 der Zonen Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ und Z₅ entsprechen. Die Kennziffern 95, 96, 97, 98 und 99 bezeichnen die Mittelpunkte der Ellipsen 85, 86, 87, 88 und 89.

Die Gleichung für die Ellipse 85, deren Koordinatenanfangspunkt in ihrem Scheitelpunkt 23 anzunehmen ist, ist die gleiche, wie sie als Gleichung (5) für die Ellipse nach Fig. 2 gegeben no wurde:

(ι— μ²)*² — 2f(z— n)x+ y² = 0. (21)

Die Gleichungen für die Ellipsen 86, 87, 88 und 89 mit dem Koordinatenanfangspunkt in den Scheitelpunkten 83, 100, 101 und 102 dieser Ellipsen kann man erhalten, indem man den Werten χ und f in der Gleichung (21) den Betrag

(22)

ι — η

hinzuzählt, wobei E die Bezifferung der betreffenden Zone angibt, ausgehend von Z₁ als Zone Nr. eins. Auf diese Weise erhalten wir die nachstehenden Gleichungen (23), (24), (25) und (26) für die Ellipsen 86, 87, 88 und 89:

y² = ο

= ο

Es sei darauf hingewiesen, daß die Mittelpunktt der Ellipsen alle gegeneinander verschoben sind, und zwar sind in Richtung von den Scheitelpunkten aus die elliptischen angeschnittenen Flächen immer etwas weniger voneinander entfernt. Der optische Brennpunkt 15, der dem gemeinsamen Brennpunkt 15 für die angeschnittenen Flächen 90, 91, 92 93 und 94 entspricht, ist nicht einem mathematischen Brennpunkt einer Ellipse überlagert.

Bei den Platten 67 stellt die geneigte Plattenkante eine Zonenabstufung 103 dar und erstreckt sich zwischen der äußersten Begrenzungslinie bzw. dem äußersten Punkt einer angeschnittenen Zonenfläche, beispielsweise der Fläche 92 und der anschließenden äußeren Zonenfläche, z.B. Fläche 93.

Diese Kante hat eine solche Länge und Neigung, daß die größte Dicke/? und die kleinste Dicke; konstant sind. Mit anderen Worten, die Abstufung ist so gewählt, daß die Vereinigungspunkte, die durch jede Stufe 103 und die unmittelbar darauffolgende angeschnittene Fläche gebildet werden, auf einer geraden Linie liegen, die senkrecht zur Linsenachse 14 durch den Scheitelpunkt 23 verläuft. El>enso liegen die Punkte der äußeren Begrenzungslinie der Zonen auf einer geraden Linie senkrecht zur Achse 14. Infolge der besonderen Neigung der Stufen 103 ist sowohl die Schatten- als auch die Beugungswirkung an den äußeren Begrenzungslinien der Zonen herabgesetzt. Diese Art der Abstufung, die nachstehend als ausgeglichene oder Zwischenstufung bezeichnet wird, ist gegenüber der Tiefstufung vorzuziehen, die flach und parallel zur Achse 14 verläuft, sowie auch gegenüber der Hochstufung, die mit einer durch den Brennpunkt verlaufenden radialen Linie übereinstimmt.

Die Bandbreitenkurve 104 in Fig. 17 für die nichtabgestufte Metallplatte 84 nach Fig. 15 wird auf nachstehende Weise erhalten. Diese Kurve veranschaulicht die Beziehung zwischen der Dicke in Wellenlängen und der Frequenz, gemessen in Prozent der Bezugsfrequenz. Es sei angenommen, eine Welle komme in den Punkten A und R an, deren Phase Φ_Α im Punkte A durch folgende Gleichung dargestellt ist:

λ - λ_η

(27)

Hierin bedeuten, wie vorher, t die veränderliche Dicke und ο den Abstand zwischen den Platten.

Nun gilt für die Bezugswellenlänge, d. h. für die im folgenden mit λ_ά bezeichnete Wellenlänge der Mittenfrequenz des Frequenzbandes, mit welchem die Vorrichtung betrieben werden soll,

·■-V-ß

daher ist

so daß

/ ι \² i —

\2i) ⁼ V

(28)

(29)

(30)

die Phase Φ_Β im Punkte B ist

Φ β = ^t- η t

Daraus ergibt sich

läßt man

und setzt

η =

Φα — Φ'β= Δ Φ =

(33)

(34)

so ergibt sich die Kurve 104 in Fig. 17 für die nichtabgestufte Linse mit Platte 84, und zwar für verschiedene Werte der maximalen Dicke t.

Die Gleichung der Bandbreitenkurve 105 für die abgestufte Linse mit abgestufter Platte 68 kann folgendermaßen erhalten werden. Kurve 105 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Anzahl m der abgestuften Zonen und der Frequenz, gemessen in Prozent der Bezugsfrequenz. Die Dicke t der nichtabgestuften Linse 84 kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

ΐ —η

(35)

Hierin bedeutet wie vorher m die Anzahl der Zonen. Die Phase Φ_Λ im Punkte A ist

Die Phase Φ_Β im Punkte B ist

2πηί

(37)

Daraus ergibt sich

A₀ I m my ^v \λ_α) J ^u

Ist

(39)

so haben wir
Φ_Λ~ΦΒ = 2π(ηι — ΐ) , (₄ο)

d. h. eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen, und wenn

so ergibt sich

Φ_Λ — Φ β = 2 π (nt — ι) + Δ Φ , (42)

worin Δ Φ den Phasenunterschied angibt. Da

»«•A_d

(ι — »)¹

(43)

so kann die Bandbreite gefunden werden, indem man folgende Gleichung auflöst:

2 π(ηι — ι) + Δ Φ Ζπλά,ηι \ηι — ι ι

Läßt man

und ist w veränderlich und

ΔΦ = -,

"T

(44) (45)

(46)

so ergibt sich die Kurve 105 in Fig. 17 für die abgestufte Mehrzonenlinse nach der Erfindung. Es ist verständlich, daß eine ähnliche Kurve erhalten werden kann, indem man η gleich irgendeinem anderen Wert macht, der kleiner ist als 1. Die Gleichung der Bandbreitenkurve 106 für einen gebräuchlichen abgestuften parabolischen Reflektor ist leicht zu erhalten. Die Bandbreitenkurve 107 für den gebräuchlichen, nichtabgestuften parabolischen Reflektor ist linear, waagerecht oder flach, da diese Art von Reflektoren eine unbegrenzte Bandbreite besitzt. In Fig. 17 ist hervorzuheben, daß das Abstufen der Linse von einem vor-■ gegebenen Höchstwert der Dicke die Bandbreite erhöht, die durch die Linse hindurchgeht, wie die Kurven 104 und 105 zeigen. Beim gebräuchlichen parabolischen Reflektor hingegen wird die Bandbreitencharakteristik durch das Abstufen herabgesetzt, und zwar von 107 nach 106, so daß also die Bandbreite abnimmt. Wie Kurve 104 zeigt, bewirkt eine Vergrößerung der Dicke bei einer nichtabgestuften Linse eine Abnahme ihrer Bandbreite.

In Fig. 18 und 19 bezeichnet die Bezugszahl 108 das Richtbild in der /ϊ-Ebene. Dieses enthält die Hauptstrahlungsfläche 109 und die Nebenstrahlungsflächen 110. Die Bezugszahl in bezeichnet das Richtbild in der //-Ebene. Dieses enthält die Hauptstrahlungsfläohe 112 und die Nebenstrahlungsflächen 113, die bei der mittleren Wellenlänge von 3,3 cm für die Linse nach Fig. 13, 14, 15 und 16 aufgenommen sind. Die Zahlen 114 und 115 bezeichnen die Breiten der Hauptstrahlungsfläche 109 in der £-Ebene und der Hauptstrahlungsfläche 112 in der //-Ebene, in den Punkten halber Intensität. Wie aus den Figuren hervorgeht, hat das System ein punktförmiges Bündel, da die erwähnten Breiten 114 und 115 im wesentlichen einander gleich sind. Außerdem ist das Bündel äußerst scharf, da die Breite 114 der Hauptstrahlungsfläche in der /ϊ-Ebene nur 1,77° im Punkt halber Energie beträgt und die Breite 115 der Hauptstrahlungsfläche in der //-Ebene nur 1,62° in dem entsprechenden Punkte. Es sind also die Richtbilder äußerst zufriedenstellend, da in der £-Ebene die Nebenstrahlungsflächen 110 um etwa 27 Decibel unterhalb des Höchstwertes der Hauptstrahlungsfläche 114 liegen, d. h. unter 25 Decibel, oder, ausgedrückt in Beziehung auf die Energie, weniger als 0,316% der Hauptstrahlungsfläche 114 betragen. Die Nebenstrahlungsflächen 113 der//-Ebene liegen etwa 24 Decibel unterhalb der Hauptstrahlungsfläche 112 und betragen etwas mehr als 0,316% der Hauptstrahlungsfläche 115, wie in Fig. 19 gezeigt. Bei den bisher bekannten Reflektoranordnungen liegen die Nebenstrahlungsflächen im allgemeinen nur etwa 18 bis 20 Decibel unterhalb der Hauptstrahlungsfläche.

In Fig. 20 ist das Richtbild das gleiche wie in Fig. 18. Die Bezugszahl 116 bezeichnet das Richtbild in der -Ε-Ebene bei einer Wellenlänge, die um iao 6°/₀ kleiner ist als die Bezugswellenlänge, d. h. bei etwa 3,102 cm. Die Bezugszahl 117 bezeichnet das Richtbild in der £-Ebene für eine Wellenlänge, die um 6 V₀ größer ist als die Bezugswellenlänge, d. h. für eine solche von 3,498 cm. Diese Dar- ias Stellungen beziehen sich alle drei auf die Anordnung

nach Fig. 13, 14 15 und 16 mit einer Linse 65. Das Richtbild 116 enthält die Hauptstrahlungsfläche 118 mit einer Halbleistungsbreite 119 sowie die Nebenstrahlungsflächen 120. Ebenso enthält das Strahlungsdiagramm 117 die Hauptstrahlungsfläche 121 mit einer Breite 122 für den Punkt halber Leistung sowie die Nebenstrahlungsflächen 123. Die Breite 119 beträgt 1,73°, und die Breite 122 beträgt 1,98°, so daß die Hauptstrahlungsflächen im wesentlichen einander gleich sind. Das bedeutet, daß die Anordnung mit der Linse 65 die gleiche Schärfe, d. h. die gleich hohe Richtwirkung über den ganzen Bereich von ± 6% besitzt. Außerdem sind bei diesen äußersten Wellenlängen des Übertragungsbandes die Nebenstrahlungsflächen 120 und 123 im wesentlichen um mehr als 25 Decibel kleiner wie bei dem Strahlungsdiagramm 108 für die Bezugswellenlänge. Das bedeutet, daß die Richtwirkung über die ganze Bandbreite hinweg in hohem Maße

»o zufriedenstellend ist.

In Fig. 21 und 22 bezeichnet die Bezugszahl 130 eine gerichtete Hornantenne mit einem pyramidenförmigen Horn 131, das gleichartige Seitenflächen 132 sowie auch gleiche Winkel sowohl in der senkrechten als auch in der waagerechten Ebene besitzt. Die Zahl 133 bezeichnet die öffnung im Mundstück, die eine Primärantenne darstellt. Die Bezugszahl 134 bezeichnet die quadratische öffnung des Hornes 130. Das Mundstück 133 ist durch einen Wellenleiter 20 mit einer Übertragungsanordnung verbunden, die einen Sender, einen Empfänger oder einen Radarübertrager darstellen möge. Eine abgestufte, kreissymmetrische, quadratische Linse mit mehreren Zonen nach Fig. 13, 14, 15 und 16 ist in bzw. an der öffnung 134 angebracht. Der Brennpunkt 15 der Linse liegt in der Nähe des Mittelpunktes des Hornmundstücks. Sofern erwünscht, kann die Linse schräg gestellt werden, wie in Fig. 4 gezeigt, um die Reflexionswirkung auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Die Begrenzungsflächen des Hornes, die an den Seiten der Führung für die ausgesandten oder empfangenen Wellen zwischen der Linse und dem Mundstück liegen, arbeiten als Schirme, um eine unerwünschte Energiezufuhr zu verhindern, wie sie durch äußere dazwischentretende Wellen sowohl auf die Rückseite der Linse als auch auf die Primärantenne, d. h. das Mundstück, erfolgen könnte. Die Metallteile der Linse in der öffnung des Hornes stellen einen geeigneten mechanischen Träger für einen festen Schutzüberzug des Dielektrikums gegen Wettereinflüsse dar, der dazu benutzt werden kann, die Linse gegen Hagel und Eisbildung zu schützen.

Im Betriebe der Anordnung nach Fig. 21 wird die größte sendende Wirkung in der Richtung 135 erzielt und die größte Empfangswirkung in der entgegengesetzten Richtung 136, die beide im wesentlichen mit der Längsausdehnung M und der gemeinsamen Achse 14 der Hornantenne 130 oder Linse 65 in einer Linie liegen. Bei einer Ausführungsform, die mit Erfolg erprobt und für den Gebrauch bei etwa 7,5 cm vorgeschlagen worden ist, hat die Fläche der quadratischen öffnung eine Abmessung von 40 Wellenlängen zum Quadrat, und die axiale Länge beträgt etwa 38 Wellenlängen. Wie in Fig. 22 gezeigt, ist die axiale Länge M eines Hornes 130 mit den soeben erläuterten Abmessungen verhältnismäßig klein und beträgt nur etwa den zwanzigsten Teil der Länge N eines vergleichbaren Hornes mit günstigstem Winkel nach dem Stande der Technik, das eine öffnung von 40 Wellenlängen im Quadrat besitzt und bei dem diese öffnung keine Linse der hier beschriebenen Art enthält. Während also die Hornantenne 130 nach der Erfindung etwa 38 Wellenlängen oder 3 m lang ist, bei einer Wellenlänge von etwa 7,5 cm, ist das Horn 137 der vorbekannten Art mit freier öffnung bei günstigstem Winkel ungefähr 800 Wellenlängen oder 61 m lang. Eine verbesserte Nutzwirkung gegenüber dem Horn 137 von günstigster Ausbildung wird ebenfalls mit Hilfe der Linse 65 in der Antenne 130 erzielt. Mittels dieser Linse 65 kann die Nutzvvirkung einer Antenne 130 so groß gemacht werden, daß sie die eines unendlich langen Hornes erreicht. Der nutzbare Raum eines Hornes günstigster Abmessung, das sich nach außen hin in beiden Ebenen erweitert, beträgt etwa 45V₀ seines tatsächlichen Raumes, während ein ähnliches Horn von unendlicher Länge einen nutzbaren Raum besitzt, der etwa 81% seines tatsächlichen Raumes beträgt. Zum Vergleich sei weiterhin erwähnt, daß eine Hornantenne vorbekannter Art mit einem Horn, in dessen öffnung eine Linse mit festem Dielektrikum angeordnet ist und das hinsichtlich seiner Nutzwirkung und seiner Richtwirkung mit der Hornantenne 130 verglichen werden könnte, sowie mit der vorbekannten Hornantenne 137 mit günstigstem öffnungswinkel, eine öffnung und eine Linse besitzt, die größer sind als 40 Wellenlängen zum Quadrat. Es werden nämlich die größere Fläche des Hornes und die größere Linsenöffnung benötigt, um die Dämpfung im festen Dielektrikum der Linse auszugleichen.

In Fig. 23 bezeichnet die Bezugszahl 138 ein lineares Zwischenübertragungssystem mit zwei weit voneinander entfernt stehenden Endstationen 139 und 140 sowie mehreren räumlich voneinander entfernten Zwischenstationen 141. Die Bezugszahl 142 bezeichnet einen Sender an der einen Endstation und die Bezugszahl 143 einen Empfänger auf der anderen Endstation. Bei einer vorgeschlagenen Anordnung für Mikrowellen stehen die beiden Endstationen etwa 400 km voneinander entfernt, und die anschließenden Zwischenstationen 141 sind in Abständen von etwa 48 km aufgestellt. Für die Arbeitsweise als Eimvegzwischenübertrager ist jede Zwischenstation 141 mit einem Verstärker 144 und einem Paar von Hornantennen 130 ausgestattet, die zum Senden bzw. Empfangen dienen und Rücken an Rücken aufgestellt sind und von denen jede der in Fig. 21 dargestellten Ausführungsform entspricht. Sie dienen zum Empfangen in der einen Richtung und zum Senden in der entgegengesetzten oder zumindest in einer anderen Richtung. Für die Zweiwegarbeitsweise enthält

jede Zwischenstation zwei Paare von Rücken an Rücken stehenden Hörnern, und zwar zwei Hörner zum Empfang aus verschiedenen Richtungen und zwei zum Senden in verschiedene Richtungen. Die Ilörncr T30 mögen in jeder Station mit ihren Stirnseiten in genau entgegengesetzte Richtungen zeigen oder aber auch in Richtungen, die miteinander einen Winkel von weniger als i8o° einschließen. Im Einwegsystem können verschiedene Frequenzen und/oder verschiedene Polarisationen benutzt werden, um Übersprechen und wechselseitige Beeinflussung zwischen den benachbarten Übertragungswegen 145 zu verhindern, d. h. zwischen den entgegengesetzt gerichteten Wellen, die bei jeder Zwischenstation eingehen und von dieser ausgehen. In dem Zweiwegsystem können verschiedene Frequenzen und/oder Polarisationen benutzt werden, um eine wechselseitige Beeinflussung zwischen den entgegengesetzt gerichteten Wellen in jedem Übertragungsweg zu verhindern. Wie in Fig. 24 genauer gezeigt, enthält jeder Zwischenverstärker 144 einen Empfänger 143, der über einen Verstärker 146 mit Hilfe von Wellenleitern 20 mit einem Sender 142 verbunden ist, wobei der Zwischenverstärker mit Hilfe von Wellenleitern oder Verbindungsleitungen 20 zwischen die beiden Mundstücke der Rücken an Rücken stehenden Hörner 130 eingeschaltet ist. Zum Zwecke der anschaulicheren Darstellung zeigt Fig. 25 eine Zwischenverstärkerstation mit einem Zwischenverstärker 144, der eine Empfangsantenne 148 und eine Sendeantenne 149 miteinander verbindet. Die Empfangsantenne 148 enthält eine Primärantenne 150 und einen parabolischen Reflektor 151, und die Sendeantenne 149 enthält eine Primärantenne 152 und einen parabolischen Reflektor 153, wobei die beiden Reflektoren Rücken an Rücken aufgestellt sind. Wie die Pfeile 154 zeigen, strömt ein Teil der ankommenden Energie oder Wellen 155 über die Reflektoren 151 und 153 infolge von Beugungserscheinungen hinweg, wodurch die Sendung von Horn 152 und Antenne 149 schädlich beeinflußt wird, so daß Übersprechen entsteht. Umgekehrt aber strömt, wie durch Pfeile 156 gezeigt, die durch das Horn 152 ausgesandte Welle 157 über die beiden Reflektoren 151 und 153 über und beeinflußt den Empfang durch das Horn 150 in ungünstiger Weise. Zur Gegenüberstellung sei hervorgehoben, daß die Rücken an Rücken stehenden Hörner 130 nach Fig. 23 und 24 von dieser Beugungserscheinung frei sind. Solche Antennen 130 sind daher den vorbekannten Anordnungen mit Rücken an Rücken stehenden parabolischen Reflektoren im Hinblick auf Übersprechen und wechselseitige Beeinflussung in bemerkenswertem Maße überlegen. Es sei auch noch erwähnt, daß solche Rücken an Rücken stehenden Hörner 130 im Hinblick auf die erwähnten Wirkungen auch den gebräuchlichen Rücken an Rücken stehenden Trommelreflektoren überlegen sind, die hinsichtlich dieser wechselseitigen koppelnden Wirkungen den Rücken an Rücken stehenden parabolischen Reflektoren vergleichbar sind.

So wird, wie oben dargelegt, eine in hohem Maße zufriedenstellende passive Antenne oder Linse, die eine oder mehrere Linseneinheiten 6 enthält, durch Anwendung des Erfindungsgedankens geschaffen. Es sei aber darauf hingewiesen, daß der Brechungsindex η einer Linseneinheit 6, bestehend aus zwei Platten 7, die durch ein dielektrisches Medium 8 mit der dielektrischen Konstanten ε getrennt werden, sich ergibt zu

η = I/ e —

⁽⁴⁷⁾

Wenn ε einen Wert größer als 1 hat, so kann η doch trotzdem kleiner als 1 gemacht werden, und zwar durch geeignete Wahl der Kanalbreite α. ! Als Medium 8 möge ein Vakuum oder Luft benutzt werden, die beide eine dielektrische Konstante vom Wert ι besitzen, oder es kann ein gebräuchliches, festes Dielektrikum genommen werden, wie z. B. Polystyren mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,6. Es kann dann ein Wert von η kleiner als ι erhalten werden, indem man für α eine geeignete Größe wählt. Das bedeutet im einzelnen: Da Luft und Polystyrenschaum etwa die gleiche Dielektrizitätskonstante haben, nämlich 1, wie schon erörtert, so sind die physikalischen und praktischen Werte α der Luft und der Schaumkanäle die gleichen. Wenn dagegen das übliche Polystyren mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,6 an Stelle von Polystyrenschaum oder Luft in den Linsen gemäß vorliegender Erfindung benutzt wird, so muß, um einen Brechungsindex η kleiner als 1 zu erzielen, wie gewünscht, der physikalische, aber nicht der elektrische Wert der Größe α notwendigerweise kleiner sein als der physikalische Wert von α bei Schaum- oder Luftkanälen, wie es klar aus Gleichung (47) hervorgeht. Im besonderen kann das dielektrische Element in jeder der in der Zeichnung veranschaulichten Linsen ein Schaumdielektrikum haben, wie beispielsweise den vorher erwähnten Polystyrenschaum, an Stelle des gasförmigen Luftdielektrikums.

In Verbindung mit Vorstehendem muß eine scharfe Unterscheidung zwischen den vorbekannten festen Dielektrikumlinsen für optische und elektromagnetische Wellen gemacht werden, wie sie in Fig. ι veranschaulicht sind, und den Linsen nach der Erfindung. Wie bekannt ist, sind die einfachen Linsen nach dem Stande der Technik durchgehend gleichförmig aufgebaut, z. B. aus Glas oder Polystyren, während die einfache Einheitslinse nach der Erfindung ungleichförmig ist, da sie zumindest zwei leitende metallische Elemente enthält sowie ein dielektrisches Element oder Medium 8, entsprechend Fig. 3, das ein Vakuum mit einer Dielektrizitätskonstante vom Wert 1 sein möge oder eine gasförmige, flüssige oder feste dielektrische Substanz mit einer Dielektrizitätskonstante vom Wert 1 oder auch von einem größeren Wert. Der Ausdruck einfache Linse bezieht sich auf eine positive, d. h. eine Sammellinse, oder eine negative,

d. h. eine Zerstreuungslinie, von denen jede chromatisch ist. Dieser Ausdruck wird im Gegensatz zu dem Ausdruck zusammengesetzte Linse gebraucht, der sich auf eine achromatische, zusammengesetzte positiv-negative oder sammelnde und zerstreuende Linse bezieht. Wie schon behandelt, ist die Phasengeschwindigkeit ν in den vorbekannten Linsen kleiner als die Phasengeschwindigkeit v₀ im freien Raum. Die gebrochenen Strahlen werden beim Durchgang durch die Linse in ihrer Phase verzögert, während bei den hier beschriebenen besonderen Ausführungsformen der Erfindung die Phasengeschwindigkeit ν in der Linse größer ist als die Phasengeschwindigkeit V₀ im freien Raum, und die Phasen der gebrochenen Strahlen werden beim Durchgang durch die Linse beschleunigt. Daher werden die vorbekannten Linsen der Kürze wegen gebräuchlicherweise oft als langsame Linsen bezeichnet. Die hier ao beschriel>enen besonderen Ausführungsformen der Erfindung werden dementsprechend auch schnelle Linsen genannt.

Während die dielektrischen Kanäle 6 bei allen hier im einzelnen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung an den kurzen Enden, d. h. oben und unten, elektrisch offen sind, so sei doch unter Bezugnahme auf das Vorstehende klargestellt, daß sie elektrisch auch geschlossen sein können. Obwohl also die waagerechten Glieder oben und unten sowie die tragenden waagerechten Querstäbe H nach Fig. 13, 14, 15 und 16 vorzugsweise aus Holz oder anderem isolierenden Material hergestellt werden, wie dargestellt, so können sie doch auch aus leitendem Material bestehen, wie beispielsweise Metall. Wenn die Glieder 11 metallisch sind, so wird die Arbeitsweise der Linse davon nicht beeinflußt, und es tritt auch als Folge davon keineswegs eine reflektierende Wirkung auf, weil nämlich die Polarisation der Welle senkrecht verläuft und daher senkrecht zu diesen Gliedern.

Was das Verfahren und das System zur Vermeidung zu großer Rückwirkung der Reflexionsenergie auf die Primärantenne anbelangt, ist hervorzuheben, daß diese Ausbildungsform auch auf andere Antennensysteme anwendbar ist, bei denen passive Antennen benutzt werden, durch die die Wellen hindurchgeleitet werden, wie beispielsweise die bekannte Beugungsantennenanordnung mit einer Zonenplattenbeugungsanordnung. Da die Linse zwei Durchtrittsflächen hat, kann für die rückwärtige Fläche eine von den verschiedenen möglichen Begrenzungsformen gewählt werden. Es muß dann die vordere Fläche die ergänzende Form erhalten, so daß die erstrebte Bündelung zu einem Brennpunkt erzielt wird. Wenn die Zoneneinschnitte längs eines Kreises angeordnet sind, um in einem Radarsystem einen großen Abtastwinkel zu ergeben, können daher die rückwärtigen Flächen der Zoneneinschnitte irgendeine geeignete Kurvenform haben. Demgegenüber ist bei einem Reflektorsystem mit kreisförmig angeordneten Zoneneinschnitten die Reflektorkrümmung notwendigerweise parabolisch.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben ist, so soll sie 'doch nicht auf diese beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, insofern, als für die Verwirklichung der Erfindung auch andere Geräte mit Erfolg benutzt werden können.

Claims

PaTENTANSPR f CHE:

1. Für Funk-Richtantennenanlagen bestimmte positive Linse mit einem Brechungsindex kleiner als eins, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem oder mehreren dielektrischen Kanälen gebildet ist, welche von parallelen, in der Polarisations- und Fortpflanzungsrichtung der Welle verlaufenden Metallplatten begrenzt sind, wobei die Abstände zwischen den vorderen und rückwärtigen Kanten dieser Platten so bemessen sind, daß die Platten eine die Brechung der Welle bewirkende Form erhalten.

2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische, zwischen den in Abstand gehaltenen Metallplatten eingeschlossene Medium eine dielektrische Konstante von eins hat.

3. Linse nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine plankonkave Gestalt.

4. Linse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Fläche elliptisch gekrümmt ist.

5. Linse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Platten wenigstens gleich der halben Wellenlänge der längsten durch die Linse übertragenen Welle ist, während die Länge der Platten bei einer der übertragenen Wellenlängen ein Mehrfaches der Wellenlänge beträgt.

6. Linse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Krümmung stufenweise nach Art von Mehrzonenlinsen erfolgt.

7. Linse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Änderung der räumlichen Lage ihrer Richtcharakteristik die primäre Antenne aus dem Brennpunkt unter Beibehaltung eines Abstarades herausgerückt ist, der annähernd der axialen Brennweite der Linse gleich ist.

8. Linse nac'h Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Zweck ihrer Verwendung für die Sendung oder den Empfang von Wellen in Richtfunksystemen auf einem Hornstrahler derart aufgesetzt ist, daß die Linsenachse um einen spitzen Winkel gegen die Hornachse verschoben ist.

9. Linse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Kanten um jeweils eine Wellenlänge zurück gestuft sind, und zwar im wesentlichen an Punkten, an welchen die Linsendicke eine bzw. mehrere Wellenlängen beträgt.

ίο. Abgestufte Mehrzonenlinse nach An- j Spruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonenflächen mit unterschiedlichen elliptischen Kurven zusammenfallen.

11. Abgestufte Mehrzonenlinse nach Anspruch 9 und io, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zonenflächen festlegenden Kurven die Achse der Linse in Punkten schneiden, deren Abstand gleich ist der im freien Raum gemessenen Wellenlänge, geteilt durch einen Wert, der um den Brechungsindex der Linse kleiner als eins ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

O 2996 1.