DE836665C - Funkspiegelanordnung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 15. APRIL 1952

p 30039 VIIIa j 21 a⁴ D

sind als Erfinder genannt worden

Funkspiegelanordnung

Die Erfindung 1>etrifft Funkspiegel, d. h. spiegelähnliche Vorrichtungen, die der Abstrahlung sehr hochfrequenter Funkenergie in den Raum oder dem Empfang solcher Energie aus dem Raum dienen. Funkspiegel haben zahlreiche Anwendungen, unter anderem bei Radargeräten (Ultrakurzwellenbodenbetrachtungsgeräten od. dgl.).

Zur Verkürzung der Beschreibung wird die Erfindung im folgenden in ihrer Anwendung auf die Aussendung von Funkenergie beschrieben. Da jedoch ein Funkspiegel in seinem Wesen eine umkehrbare Vorrichtung ist, wird es dem Fachmann einleuchten, daß die verschiedenen, im folgenden beschriebenen Konstruktionen im Bedarfsfalle ebensogut für den Empfang wie für die Sendung benutzt werden können.

Die Erfindung befaßt sich vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, mit der Verwendung von flachen Spiegeln zur Erzeugung (in Verbindung mit einer primären Quelle von Funkenergie) eines scharfen Richtstrahles. Ein typischer und wichtiger, wenn auch in keiner Weise alleinstehender Fall, auf den die Erfindung angewandt werden kann, ist der, bei dem eine Primärquelle gerichtete Energie auf einen Spiegel wirft, der sie als scharfen Richtstrahl reflektiert. In diesem Falle wird zur Erzielung eines höhen Wirkungsgrades verlangt, daß der Spiegel die gesamte gerichtete Energie auffängt, und dieser Fall soll im folgenden zwecks Erläuterung der Erfindung betrachtet werden.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Anschluß an. diese näher erläutert. In den Zeichnungen sind durchweg gleiche Bezugszeichen für gleichartige Teile benutzt.

Die Abb. ι zeigt zunächst ein erläuterndes Schaubild. Aus der Betrachtung gewöhnlicher optischer Gesetze, die naturgemäß sowohl bei Licht als auch bei elektromagnetischen Wellen gelten, ist es \vohll>ekannt, daß die mittels eines ebenen Spiegels M reflektierte, ursprünglich von einer vor dem Spiegel befindlichen punktförmigen Quelle P auf den Spiegel auf fallendeiStrahlung als äquivalent der direkten Strahlung einer scheinbaren Quelle V

ίο hinter dem Spiegel betrachtet werden kann. Wahre und scheinbare Quellen befinden sich in gleichen Abständen auf entgegengesetzten Seiten der Spiegelfläche, und die reflektierten Strahlen verhalten sich, als wenn sie ohne Reflektion von der scheinbaren Quelle V ausgingen. Nun ist die Wellenfront des äquivalenten, den Spiegel durchsetzenden Strahles kugelförmig, und die vorlregendie Erfindung dient in ihrer Anwendung auf diesen Fall in der Wirkung dazu, diese kugelförmige Wellenfront zu einer genauen, durch den vorliegenden Spiegel bestimmten Ebene abzuflachen, die als Ersatzöffnung des Systems angesehen werden kann.

Betrachten wir nun die kugelförmige Wellenfront am entferntesten Punkte R (obere Ecke in· der Abb. 1) des Spiegels Af von der scheinbaren Lichtquelle V aus. Diese Wellenfront, die bei F gestrichelt angedeutet ist, ist das Segment einer durch den genannten Punkt gelegten Kugel mit der scheinbaren Quelle als Mittelpunkt und wird durch die Randstrahlen begrenzt, welche die Spiegelkanten berühren. Die Ersatzöffnung kann eine jede Ebene, z. Ji. A^, A² oder A^s (gepunktet eingezeichnet), sein, welche dieses Kugelsegment F berührt und durch den Schnitt des Segments F mit dem Strahl von der scheinbaren Quelle begrenzt wird. Die Ersatzöffnung A¹ (die senkrechte Ersatzöffnung), die senkrecht auf der Mittelachse des Strahles der scheinbaren Quelle V steht, erfordert den geringsten erfindungsgemäßen Korrektionsbetrag, und daher wird die Erfindung vorzugsweise derart angewandt, daß die etwa als senkrechte Ersatzöffnung zu bezeichnende Fläche erhalten wird. Die Erfindung kann jedoch zur Erzielung von Ersatzöffnungen in jeder beliebigen Ebene angewandt werden, welche die hier näher dargelegten Bedingungen erfüllt. Im Falle einer senkrechten Ersatzöffnung wird die maximale Strahlung erhalten, wenn der Strahl in die Mittelachse fällt. Im allgemeinen, d. h. bei der Anwendung der Erfindung zur Erzeugung einer gleichphasigen Fläche über die senkrechte Ersatz-· öffnung, wird die Strahlrichtung senkrecht auf der öffnungsebene stehen. Wie weiter unten gezeigt wird, erreicht die Erfindung ihr Ziel dadurch, daß vor dem Auftreffen auf den Spiegel und nach der | Reflektion durch den Spiegel auf den verschiedenen, j von der wahren Quelle ausgehenden Wegen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Funkenergie unterschiedlich geändert wird.

Bisher wurde in der Beschreibung zur Vereinfachung angenommen, daß die Energiequelle eine punktförmige Quelle sei. In der Praxis gibt es naturgemäß keine punktförmigen Quellen; sie haben vielmehr im allgemeinen eine Flächenausdehnung, und darüber hinaus wird in vielen Fällen auch kein Versuch gemacht, sich einer punktförmigen Quelle zu nähern, 7.. B. kann sich die Quelle der Form einer linienförmigen Quelle nähern. Ungeachtet dessen ist die vorstehende allgemeine Betrachtungsweise brauchbar, wenn auch ihre Anwendung auf irgendeinen besonderen Fall in geometrischer Beziehung mehr Schwierigkeiten bieten wird. Im allgemeinen wird praktisch gefordert, so viel wie möglich von der abgestrahlten Energie der Quelle auf dem Spiegel zu vereinigen und dann den Strahl in die gewünschte Richtung zu reflektieren, wobei der erforderliche Grad der Bündelung in Verbindung mit möglichst geringer Störung durch die ursprüngliche Quelle angestrebt sein wird. Die allgemeine Ausbildung von Quelle und Spiegel wird in jedem Falle in Abhängigkeit von den besonderen Anforderungen gewählt, insbesondere der gewünschten Bündelung; aber l>ei den bisher benutzten Anordnungen trat der in bezug auf das Erreichender gewünschten Bündelung mehr oder weniger störende Fehler auf, daß die unterschiedlichen Weglängen von der Quelle zu der Ersatzöffnung unerwünschte Ungleichheiten des Phasenwechsels auf dem o1>en erörterten Wege einführten. Gegenstand der Erfindung ist die Vermeidung dieses Fehlers und Schaffung von Spiegelanordnungen, bei denen eine gewünschte Phasenbeziehung (im allgemeinen, aber nicht immer, ! Phasengleichheit) über die Ersatzöffnung erhalten wird.

Die Erfindung gründet sich auf die Tatsache, daß die Phase eines Feldes in einem wenigstens zweiseitig durch leitende, parallel zum elektrischen Felde verlaufende und nicht weniger als eine halbe Wellenlänge voneinander entfernte Flächen begrenzten Räume mit einer Geschwindigkeit fortschreitet, die größer ist als die Geschwindigkeit im freien Räume. Diese Geschwindigkeitsvergrößerung ergibt sich durch die Wechselwirkung der durch die begrenzenden Wände reflektierten Wellen. Diese Feld- oder Phasengeschwindigkeit kann durch Änderung des gegenseitigen Abstandes der begrenzenden Wände beeinflußt werden, wol>ei dieser Abstand jedoch naturgemäß niemals kleiner als eine halbe Wellenlänge wird.

Die vorliegende Erfindung baut sich auf der obenerwähnten physikalischen Erscheinung auf und besteht darin, diese Erscheinung zum Ausgleich der unerwünschten Einflüsse von unterschiedlichen Weglängen zwischen der Quelle und der Ersatzöffnung heranzuziehen, um auf diese Weise ungeachtet solcher verschiedener Weglängen eine gewünschte Phasenverteilung, im allgemeinen Phasengleichheit, über die öffnung zu erhalten.

Entsprechend der Erfindung ist vor der Reflektorfläche M eine Mehrzahl von Trennplatten W derart angeordnet, daß sie den Raum vor der Reflektorfläche in eine Mehrzahl von Teilwellenleitern unterteilen und dabei die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit über verschiedene, die Teilwellenleiter durchsetzende Wege zwischen einer Antenne oder einem gleichwertigen Organ und der Ersatzöffnung

des Spiegels derart unterschiedlich ändern, daß ungeachtet des Einflusses der verschiedenen Längen dieser Wege auf die Phasenverteilung in der Ersatz-Öffnung (A, A^x, A-, A³) im Vergleich zur Phase an der Antenne od. dgl. eine gewünschte Phasenverteilung der die Spiegelanordnung verlassenden Wellen erreicht wird.

Abb. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Verkörperung der Erfindung in der Anwen-(.lung auf ein horizontalpolarisiertes System, das in der waagerechten Ebene eine bessere Bündelung als in der senkrechten Ebene erfordert; Abb. 3 ist eine vereinfachte Gesamtansicht des bei dem Ausführungsbeispiel lxMiutzten Spiegels; Abb. 4 ist ein Schnitt auf der Linie Y-Y der Abb. 3 und Abb. 5 zeigt einen Schnitt auf der Linie λ'-λ' der Abb. 3.

In den Abb. 2 bis 5 ist die Energiequelle ein

Speisehorn oder eine Wellenleitererweiterung P mit rechteckiger Austrittsöffnung, die vertikal eine größen.· Ausdehnung hat als horizontal. Es sei l>etont, daß der Strahler bei unmittelbarer Ausstrahlung ohne Spiegel für die obenerwähnten Richterfordernisse mit seiner großen Abmessung in der horizontalen Ebene liegen sollte, d. h. in der Ebene, für welche die größte Schärfe des Strahles gefordert wird. Die Erweiterung wirft ihren Strahl auf einen riachen, nahezu elliptischen Spiegel M, der so angeordnet und geneigt ist, daß er den Strahl derart ül>er die Spitze des Strahlers hinüber reflektiert, daß die obere schmale Kante gerade frei bleibt. Zur Vereinfachung ist in die Abb. 2 der reflektierte Strahl nicht eingezeichnet. Bei dieser Anordnung ist die Ersatzöffnung des Spiegels eine gestrichelt angedeutete ebene Flächet vor dem Spiegel, die im Verhältnis zum Spiegel derart geneigt ist, daß sie seinem oberen Ende am nächsten und seinem unteren Ende am fernsten steht. Der kürzeste Strahlweg von der Erweiterung zu der Ersatzfläche ist der vom Mittelpunkt der Erweiterungsöffnung zu einem Reflektionspunkt in der Spiegelmitte, während alle anderen Wege weiter sind. Um die Störung durch Ungleichheit der Phasenverteilung üIxt die Spiegelöffnung zu vermeiden, ist der Spiegel gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Reihe von Trennplatten W versehen, die in der Wirkung den Raum unmittelbar vor dem Spiegel in eine Reihe von Teilwellenleitern verschiedener Länge unterteilt. Bei dem vorliegenden Fall der horizontalen Polarisation sind die Trennplatten W, die auch Korrekturplatten genannt werden können, horizontal und parallel zueinander und zum elektrischen Feld der Erweiterung angeordnet, und sie sind unmittelbar mit ihrer Kante auf die eigentliche Spiegelfläche M aufgesetzt, die ein ebener fester Leiter sein oder in irgendeiner Ικ-kannten Weise aus Netzwerk. Gaze oder Draht l>estehen kann.

Die vom Spiegel abgekehrten Kanten sind geschweift, wie dies der Abb. 4 zu entnehmen ist. Jede

Platte hat ihre geringste Länge, gemessen in Richtung der Wellenfortpflanzung, in der senkrechten Mittellinie des Spiegels. In ähnlicher Weise sind die Längen der einzelnen Platten vom oberen zum unteren Ende des Spiegels geändert (vgl. Abb. 5), wobei sich das Minimum der Länge auf der waagerechten Mittellinie befindet. Nehmen wir an, daß der Abstand der Platten überall gleich und derart bemessen ist, daß die Geschwindigkeit zwischen ihnen doppelt so groß ist wie die Geschwindigkeit im freien Raum (diese beiden Bedingungen sind keine notwendigen Bedingungen, aber sie sind für die Betrachtung der Erfindung besonders einfach), so können die Platten derart angeordnet sein, daß ihre gekrümmten Kanten auf einer im wesentlichen kugelförmigen Oberfläche liegen, die zum Zwecke des Ausgleichs entgegengesetzt zu einer gedachten gewölbten Flädie gekrümmt ist, die zur Ersatzöffnung tangential ist und an der reflektierte Strahlen gleicher Länge vpn der Erweiterungsöffnung endigen. Da der Betrag der Geschwindig- keitsänderung, die durch irgendein Plattenpaar hervorgerufen wird, eine Funktion ihres Abstandes ist, wenn die Platten keine gleichen Abstände aufweisen oder diese Abstände nicht so gewählt sind, daß die Geschwindigkeit des freien Raumes verdoppelt wird, müssen ihre Formen von der eben beschriebenen Form abweichen, falls dieselben Ergebnisse erhalten werden sollen. Im allgemeinen ist es jedoch zweckmäßig, die oben beschriebene Anordnung zur Metallersparung in der dargestellten go Weise dadurch zu ändern, daß die Platten an jenen Punkten L¹, L², L³ und L* um eine Wellenlänge zurückgestuft werden, an denen ihre Länge gemessen in der Fortpflanzungsrichtung gleich einer Wellenlänge ist, vermehrt um die Länge des Mittelteiles der mittleren Platte, d. h. an der Stelle, wo sich der kürzeste Strahlweg befindet: Dies wird natürlich das Ergebnis haben, daß verschiedene Punkte der Ersatzöffnung Phasen haben, die sich um ganzzahlige Vielfache von Wellenlängen unterscheiden; dies ist jedoch einer gleichmäßigen Phasenverteilung gleichwertig. In Abb. 4 ist die ungestufte, gestrichelte Fortsetzung der dargestellten Platte angedeutet.

Es sei betont, daß jeder Strahl jeden von der Platte gebildeten Teilwellenleiter zweimal durchsetzt. Dies bedingt naturgemäß eine geringere (halbierte) Plattenlänge gegenüber der Länge, die sonst erforderlich wäre.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, das schematisch in der Vorderansicht in der Abb. 6 und in der Draufsicht in Abb. 7 sowie im Aufriß des schematischen mittleren Schnittes auf der Linie Z-Z der Abb. 6 in der Abb. 8 dargestellt ist, nähert sich die Energiequelle P einer Linie und wird durch die breite und niedrige Öffnung eines flachen, sich erweiternden Hornes gebildet, das sich aus einem Wellenleiter WG erweitert und derart umgebogen ist, daß es die Energie gegen einen rechteckigen Spiegel M richtet, welcher wie im vorhergehenden Falle so angeordnet ist, daß er den Strahl zurück in die obere Kante des Hornes reflektiert. Dieser Spiegel ist ebenfalls mit horizontalen Trennplatten W versehen, die entsprechend den erläuternden Grundsätzen geformt und angeordnet sind.

Die Abb. 9, die nach den vorhergehenden

Erläuterungen ohne weiteres verständlich ist, zeigt eine Anordnung für ein vertikal polarisiertes System, das sich von den vorstehend beschriebenen Anordnungen naturgemäß dadurch unterscheidet, daß die Platten W senkrecht angeordnet sind.

in Abb. 9 ist der Spiegel M um eine senkrechte Achse geschwenkt, so daß der reflektierte Strahl an der Wellenleitererweiterung P vorbeigeht.

In der vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, daß in der Ersatzöffnung eine gleichphasige Fläche verlangt wird. Dies ist zwar im allgemeinen der Fall, aber es ist nicht immer so; für einige Zwecke kann es notwendig sein, eine Phasenverzerrung zu erzeugen, um besonderen Anforderungen an das Polardiagramm zu genügen. Ferner wurde durchweg angenommen, daß die Energiequelle entweder angenähert eine punktförmige Quelle oder eine Flächenquelle mit gleichphasiger Energieabgabe über die ganze Fläche ist.

Dies braucht nicht immer der Fall zu sein, und die Phaseiiverteilung über die Quelle muß Ικμπι Entwerfen des erfindungsgemäßen Spiegels berücksichtigt werden. Wenn die vorliegende Erfindung beispielsweise in Verbindung mit einem I forn benutzt wird, kann ein Teil der insgesamt erforderlichen Phasenkorrektion von dem Horn und ein Teil von dem Spiegel übernommen werden.

Ein wesentlicher Vorteil der vorstehend l>eschriebenen besonderen Ausführungsbeispiele besteht darin, daß die eigentlichen Spiegel eben und die Teilformen nicht so kritisch sind, wie sie es ζ. B. Ικ'ί parabolischen Spiegeln sein würden; außerdem können bei geeigneter Ausbildung der Anlage die Kantenformen kreisförmig gewählt werden.

Diese Vorteile sind bei Spiegeln für Wellen im Zentimeter- und Millimeterbereich von großer Bedeutung. Trotzdem ist die Erfindung nicht ausschließlich auf die Anwendung l>ei eigenen Spiegeln Ix-'schränkt, wenn auch hier voraussichtlich die praktisch wichtigste Anwendung liegt.

Es kann zweckmäßig sein, zusätzliche Metallplatten senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes vorzusehen, die dazu dienen, die Wellenelemente zu führen. Die zusätzlichen Metallplatten, die Prallplatten genannt werden können, um sie von den geschwindigkeitsändernden Platten zu unterscheiden, zu denen sie im rechten Winkel stehen, werden 1>ei ihrer Verwendung zu einer honigwabeniihnlichen oder Zellenkonstruktion führen.

Bei erfindungsgemäßen Konstruktionen mit Trennplatten ist der Strahl im Ergebnis auf Teilwellenleiter aufgeteilt. Diese Teilwellenleiter brauchen jedoch nicht alle auf ihrer ganzen Länge den gleichen Querschnitt zu haben; vielmehr können im Bedarfsfall die Trennplatten derart angeordnet werden, daß sie die Teilwellenleiter über einen Teil oder ihre ganze Länge schmaler werden lassen. Bei Anwendung einer solchen Form wird man dann den Vorteil einer allmählichen Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in den Wellenleiterteilen erhalten.

im allgemeinen werden die erfindungsgemäß be- j nutzten Platten, sowohl Prallplatten als auch j Trennplatten, aus mechanischen Gründen feste leitende Platten sein. Im Bedarfsfalle kann man jedoch zur Erleichterung oder zur Herabsetzung des Luftwiderstandes die Platten ebenso wie den eigentlichen Spiegel durchbrochen ausbilden oder aus geeignetem Netzwerk, Gaze oder Drahtgebilden herstellen, und die Ausdrücke Platte, Spiegel, Reflexionsoberfläche, die vorstehend benutzt wurden, sind so weit auszulegen, daß sie auch solche Konstruktionen treffen.

Bei den beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Räume zwischen den Platten Lufträume, d. h. in den als Tei!wellenleiter wirkenden Räumen befindet sich Luftdielektrikum. Dies ist jedoch nicht nietwendig, und im Bedarfsfall kann der Raum zwischen den Platten ganz oder teilweise mit geeigneten festen Dielektrika gefüllt werden, wobei bei der Gestaltung der Einfluß eines solchen Dielektrikums auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit natürlich gebührend lx?rücksichtigt werden muß. Die Verwendung eines solchen Dielektrikums bietet oft in Ixv.ug auf die mechanische Festigkeit und die Stromlinienverkleidung zwecks Herabsetzung des Luftwiderstandes Vorteile.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Funkspiegelanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß \;or der Reflektorfläche (M) eine Mehrzahl von Trennplatten (W) derart angeordnet sind, daß sie den Raum vor der Reflektorfläche in eine Mehrzahl von Teilwellenleitern unterteilen und dabei die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit über verschiedene, die Teilwellenleiter durchsetzende Wege zwischen einer Antenne oder einem gleichwertigen Organ und der Ersatzöffnung des Spiegels derart unterschiedlich ändern, daß ungeachtet des Einflusses der verschiedenen Längen dieser Wege auf die Phasenverteilung in der Ersatzöffnung (A, A¹, A², A³) im Vergleich zur Phase an der Antenne od. dgl. eine gewünschte Phasenverteilung der die Spiegelanordnung verlassenden Wellen erreicht wird.

2. Funkspiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennplatten (W) mit ihren Kanten auf der Reflektorfläche (M) sitzen.

3. Funkspiegelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennplatten (W) im Abstand von mindestens einer halben Wellenlänge parallel zueinander angeordnet sind, daß die Länge jeder Trennplatte (W) in Richtung der Wellenfortpflanzung sich von Ort zu Ort ändert und die Längen der einzelnen Trennplatten (W) von Trennplatte (W) zu Trennplatte (W) geändert ist.

4. Funkspiegelanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand aller Trennplatten (W) unter sich gleich ist.

5. Funkspiegelanordnung nach Anspruch 4,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Trennplatten (W) so gewählt ist, daß' die Wellengeschwindigkeit zwischen ihnen doppelt so groß ist wie die Geschwindigkeit im freien Raum.

6. Funkspiegelanordnung nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Trennplatten (W) sich von Ort zu Ort gesetzmäßig ändert.

7. Funkspiegelanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Kanten der Trennplatten (W) an Punkten zurückgestuft sind, an welchen ihre Längen ohne Rückstufung gleich sein würden einer ganzen Zahl von Wellenlängen, vermehrt um eine vorgegebene Trennplattenmindestlänge.

8. Funkspiegelanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche (M) eben ist.

9. Funkspiegelanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Prallflächen rechtwinklig zu den Trennplatten und damit senkrecht zum elektrischen Felde angebracht sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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