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Linse für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die Erfindung bezieht
sich auf elektromagnetische Linsen für sehr kurze Wellen, insbesondere für Dezimeter-
und Zentimeterwellen, welche z. 13.. die von einem Strahler ausgehenden elektromagnetischen
`Velleti vertikal bündeln, wobei die Rundstrahlung eines Strahlers ganz oder wenigstens
zum Teil er'lialten bleibt.
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Es ist bereits eine Linsenform für Rundstrahlung horizontal polarisierter
elektromagnetischer Wellen, insbesondere 1)eziineter- und Zentimeterwellen, \,orgeschlagen
worden, die aus ringförmig übereinr.r.-der angeordneten Platten verschiedenen Durchnies3ers
bestehen. Ferner sind bikonische Rundstraliler ausgeführt worden, die aus zwei mit
den Spitzen übereinander gesetzten Kegelflächen 7usaniniengesetzt sind. Speist man
den Raum z \-isclieii den beiden 1`egclflächen an den Spitzen mit Hochfreduenzenergie,
so strahlt dieser bikonische Rundstrahler mit einer vom Öffnungswinkel und der Kantenlänge
des Strahlers abhängigen vertikalen Bündelung. Diese vertikale Bündelung ist aber
nur groß, wenn man den Öffnungswinkel dieses bikonischen Strahlers in der Größe
von etwa q.o bis 6o° halten kann. Solche Strahler bringen aber keinen bedeutenden
Leistungsgewinn und ermöglichen keine besondere Bündelungsschärfe. Vorliegende Erfindung
macht daher von der Anwendung der an sich bekannten Linseneigenschaften Gebrauch,
mit dem hauptsächlichen Ziel, bei Rundstrahlung eine starke vertikale Bündelung
bei hohem Leistungsgewinn zu erreichen.
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Gemäß der Erfindung werden die die elektrische Linse bildenden phasendrehenden
Mittel nach Art eines fiohlkörpers derart, insbesondere zylinder-oder
ellipsenzylinderförmig,
um den Strahler herum, angeordnet, daß die gewünschte Strahlungscharakteristik erlangt
wird. Die Anordnung der phasendrehenden Mittel kann insbesondere auch in einer solchen
Form erfolgen, daß diese Mittel in mehreren flächenförmigen Körpern zusammengefaßt
und diese Linsenteilkörper auf einem Polygonzug, beispielsweise auf einer Vierecks-
oder Dreiecksform, angeordnet sind. Die Erfindung schließt auch nicht aus, daß beispielsweise
bei der vierecksförmigen Anordnung der Linsenteiikörper nur drei oder zwei Seiten
dieser Vierecksform zu einer strahlenden Fläche ausgebildet sind.
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Die phasendrehenden Mittel werden bei den Linsenanordnungen nach der
Erfindung durch Hohlleiter oder durch dielektrische Mittel, insbesondere aber durch
einzelne parallel zu den Vektoren des elektrischen Feldes und in Strahlrichtung
der Welle liegende Platten, gebildet. Die Begrenzungsflächen der phasendrehenden
Mittel sind zweckmäßig so geformt, daß die Gesamtpliasendrehung der von einem zentrischen
Punkt ausgehenden Strahlung in allen Punkten der strahlenden Zylinderfläche bzw.
in einer auf der Hauptstrahlrichtung senkrecht stehenden ebenen Fläche angenähert
die gleiche ist. Unter dieser Voraussetzung weisen die Linsenoberflächen des Linsenkörpers
im Schnitt in Richtung der Mittelachse die Kurve eines Kegelschnittes, insbesondere
die Kurve einer Ellipse oder Hyperbel, auf. Je nach den gestellten Bedingungen kann
man beiden Begrenzungsflächen des Linsenkörpers, der äußeren, nach der Seite geringerer
Strahlenkonvergenz zu liegenden und der inneren, dem Brennpunkt zugekehrten Begrenzungsfläche
eine bestimmte Oberflächenform geben. Diese Begrenzungsflächen bestimmen Somit die
Kontur der phasendrehenden Mittel, beispielsweise der einen Zylinderlinsenkörper
bildenden Linsenplatten. Die Kontur dieser Oberflächen kann in an sich bekannter
Weise gestuft werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bringt eine Rundstrahleranordnung
bei Verwendung einer Linse nach der Erfindung eine wesentliche Gewinnerhöhung, wenn
der Raum zwischen dem Linsenkörper und einem z. B. zentrisch in diesem Linsenkörper
liegenden Strahler durch eine leitende Fläche gegen den Außenraum abgeschlossen
ist. Diese Fläche nimmt bei zylinderförmigen Linsen die. Form eines bikonischen
Trichters an, der aus zwei mit den Spitzen gegeneinander auf einer :Achse sitzenden
metallischen Kegelflächen besteht.
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Weitere Einzelheiten werden an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Die Fig. ia und ib zeigen eine zylinderförmige Linsenantenne für linear polarisierte
Wellen, bei der der Brennpunkt zentrisch im Innern des Linsenkörpers liegt. Die
phasendrehenden Mittel sind bei ihr zylinderförmig um eine Mittelachse angeordnet
und bestehen aus einzelnen parallel zur Ebene des Vektors des elektrischen Feldes
der Welle liegenden Platten L. Die äußere Begrenzungsfläche dieses Linsenkörpers
ist zylinderförmig ausgebildet, während die innere, dem Brennpunkt zugekehrte Begrenzungsfläche
als Schnittkurve insbesondere eine Ellipse aufweist. Die Kontur der einzelnen Linsenbleche
ist aus der, einen Schnitt durch die Zylinderlinse darstellenden Fig. ia zu ersehen
und ist in an sich bekannter Weise gestuft. Die Anordnung dieser Linsenplatten L
ist aus Fig. 1b ersichtlich. Eine Linse nach der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten
Form ist auf Grund ihrer vertikalen Bündelungseigenschaften vorzüglich für die Rundstrahlung
sehr kurzer Wellen geeignet.
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Eine für jeden Strahler maßgebende Größe ist der Gewinnfaktor, der
definiert werden kann durch das Verhältnis der maximalen Leistungsdichte der Richtantenne
zur Leistungsdichte eines Kugelstrahlers, der eine in allen Richtungen gleich große
Feldstärke besitzt und mit der gleichen Leistung gespeist wird. Man erzielt mit
der oben beschriebenen Linsenanordnung eine wesentliche Gewinnerhöhung, wenn man
diese zylindrische Linse mit dem an sich bekannten bikonischen Trichterstrahler
kombiniert. Fig. 2 zeigt einen solchen bikonischen Linsenstrahler; er besteht aus
zwei metallischen Kegelflächen K, die mit den Spitzen gegeneinander auf einer gemeinsamen
Achse sitzen. An dem äußeren Rande dieses bikonischen Trichters sind die Linsenplatten
L angebracht, die eine Kontur aufweisen, wie sie bereits in Fig. ia angegeben ist.
Vorzugsweise können diese unter sich gleichen Linsenplatten L direkt an dem Rand
des Doppelkonus angebracht werden, eine Bauweise, die eine besonders stabile Baueinheit
darstellt. Speist man den Raum zwischen den beiden Kegelflächen an den Kegelspitzen
mit Hochfrequenzenergie, so strahlt dieser Doppelkonus vorzugsweise in der Ebene
senkrecht zu seiner Achse. Die zylinderförmige Linse, welche die zylindrische Antennenöffnung
gegen den freien Raum abschließt, bewirkt dann die gewünschte vertikale Bündelung.
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Die Speisung dieser Antennenanordnung erfolgt vorzugsweise über eine
koaxiale Leitung, wie es Fig. 3 zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der bikonische
Linsenstrahler auf dem Turm T aufgebaut und besteht aus den beiden Kegelflächen
K und den um diesen angeordneten Linsenplatten L. Die koaxiale Speiseleitung Sp
bildet den Übergang von dem Hohlleiter H zum bikonischen Strahler, wobei ihr Außenleiter
mit dem spitzen Ende der unteren Kegelfläche und ihr Innenleiter mit dem spitzen
Ende des oberen Kegels verbunden ist. Obwohl die Kegelflächen selbst als Strahler.
verwendet werden, kann die Linse ohne jeglichen Nachteil direkt leitend an den bikonischen
Strahler angebaut werden. Die von der oberen zur unteren Kegelfläche verlaufenden
metallischen Linsenplatten wirken bei den zur Verwendung gelangenden kurzen Wellen
nicht mehr als Kurzschluß, da die Kegelmäntel die Länge eines Vielfachen der Betriebswellenlänge
aufweisen und der entsprechend große Hohlraum mit dem Strahlungswiderstand abgeschlossen
ist.
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In Fällen, in denen die Strahlung nur in bestimmten Richtungen erwünscht
ist, sieht die Erfindung
Linsenstrahler, insbesondere bikegelige
Linsenstrahler, vor, wie sie in den Fig. 4 his 7 gezeigt sind. Die Anordnung der
Linsenteilkörper P richtet sich nach dem geforderten Richtdiagramm und ist so gewählt,
daß die Hauptachse der Linsenkörper mit der Richtung des Strahlungsmaximums -zusammenfällt.
Beispielsweise läßt sich eine Strahleranordnung nach Fig. 4a und Fig.4b aufbauen,
die in einer horizontalen Ebene 6 Strahlungsmaxima besitzt. Die Speisung eines solchen
Linsenstrahlers kann ebenfalls in der oben beschriebenen Art erfolgen. In ähnlicher
Weise lassen sich für fast beliebige Richtdiagramme entsprechende Linsenformen verwirklichen.
So zeigt z. B. Fig. 5 einen Linsenstrahler, der in einer Ebene in 3 zueinander senkrecht
stellenden Richtungen mit maximaler Feldstärke strahlt. Weitere Ausführungsformen
sind aus Fig.6 und 7 zu ersehen, die ihre Strahlungsmaxima in auf der Linsenoberfläche
senkrecht stehenden Richtungen aufweisen.
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Weiterhin bietet die Linsenanordnung gemäß der Erfindung bei entsprechender
Anordnung und Formgebung der phasendrehenden Mittel die Möglichkeit, die Strahlungsenergie
im Umkreis verschieden stark auszusenden. Ein für viele Zwecke notwendiges Richtdiagramm
kann beispielsweise die Form einer Ellipse sein, ein Strahlungsdiagramm, (las dadurch
erreicht werden kann, daß die phasendrehenden Mittel in Form eines EllipsenzyIinders
um eine Achse angeordnet werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 8 angegeben.
Schließt man nun den Raum zwischen dein Speisepunkt, der in der Mitte des Ellipsenzylinders
liegt, und dem ellipsenzylinderförmigen Linsenkörper durch eine metallische Kegelfläche
gegen den Außenraum ab, dann erzielt man ebenfalls einen bikegeligen Trichterstrahler
mit hohem Gewinn, dessen Richtdiagramm im wesentlichen durch die Ellipsenform der
Zylindergrundfläche des Litisetikörl)ers bestimmt ist.
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In den hier angeführten Ausführungsbeispielen tragen die Linsenplatten
die Kontur auf der der inneren Linsenoberfläche zugekehrten Seite, während ihre
äußere Begrenzungslinie gerade ist. Die hier angegebenen .Ausführungsbeispiele schließen
keinesfalls aus, die innere Begrenzungsfläche so auszubilden, daß ihr Schnitt in
.Achsrichtung eine gerade Linie ist, während die Kontur der äußeren Begrenzungsfläche
durch die Bedingung der Phasengleichheit der elektromagnetischen Welle festgelegt
ist. Ein in Richtung der Mittelachse liegender Schnitt zeigt somit an der Außenseite
insbesondere die Kurve einer Hyperbel. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, beide,
die äußere und innere Oberfläche des Linsenkörpers, so zu formen, daß deren in .\chsrichtung
verlaufenden Schnitte im wesentlichen die Form von Kegelschnitten besitzen. :\u"
Material- und Gewichtsersparnis wird man in bekannter Weise die Konturen der Oberflächen
stufen.
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Für Linsenantennen, die starken Witterungseinflüssen ausgesetzt sind,
ist es zweckmäßig, den Linsetikörl>e#r mit einem wetterbeständigen dielektrischen
Stoff zu umgeben, so daß sich die Linseneigenschaften nicht durch eindringendes
Wasser oder durch die Bildung von Eis ändern.
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Die hier angegebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Linsen
mit phasendrehenden Mitteln, die aus Hohlleitern oder Linsenplatten bestehen. In
gleicher Weise können jedoch die phasendrehenden Mittel aus dielektrischem Stoff
hergestellt werden; bei solchen Linsenkörpern ergeben sich ähnliche Linsenformen.
Jedoch ist zu berücksichtigen, daß die Phasengeschwindigkeit in dielektrischen Stoffen
geringer ist als in freiem Raum im Gegensatz zu den Hohlleitern, bei denen die Phasengeschwindigkeit
der elektrischen Wellen größer ist. Die Konturen der Linsenoberfläche sind also
umgekehrt wie bei den hier in Ausführungsbeispielen angegebenen Linsenkörpern zu
gestalten; statt der konkaven Linsenoberfläche erhält man bei dielektrischen Linsen
für eing Strahlungsbündelung konvex gekrümmte Linsenoberflächen.
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Mit der hier angegebenen Linsenanordnung lassen sich Strahler aufbauen,
die außer ihrer Vorteile in elektrischer und mechanischer Hinsicht einen großen
Leistungsgewinn bringen. Die Linsenanordnung gemäß der Erfindung gestattet insbesondere
eine sehr vorteilhafte Versorgung eines unsymmetrisch angelegten Stadtgebietes,
da bei entsprechendem Linsenaufbau das Richtdiagramm dem Stadtbild oder dem mit
Strahlungsenergie zu versorgenden Gebiet angepaßt werden kann.