DE838776C - Linse fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Linse fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen

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DE838776C
DE838776C DES2875A DES0002875A DE838776C DE 838776 C DE838776 C DE 838776C DE S2875 A DES2875 A DE S2875A DE S0002875 A DES0002875 A DE S0002875A DE 838776 C DE838776 C DE 838776C
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DE
Germany
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lens
lens according
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rotating means
radiator
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Expired
Application number
DES2875A
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Herbert Simon
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/062Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Linse für sehr kurze elektromagnetische Wellen, insbesondere für Dezimeter- und Zentimeterwellen, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Mittel nach Art eines Hohlkörpers derart um den Strahler herum angeordnet sind, daß die gewünschte Strahlungscharakteristik erlangt wird.
  2. 2. Linse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Mittel zylinderförmig um den Strahler herum angeordnet sind.
  3. 3. Linse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Mittel in Form eines Ellipsenzylinders um den Strahler herum angeordnet sind.
  4. 4. Linse nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von ihr umschlossenen Raum zwei mit den Spitzen gegeneinander auf einer mit der zylinderförmigen Linse gemeinsamen Achse sitzende metallische Kegelflächen einen bikonischen Trichter bilden, dessen Trichteröffnung durch die Linse gegen den Außenraum abgeschlossen ist.
  5. 5. Linse nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden '.Mittel in der Form mehrerer, insbesondere ebener Flächen zu Teillinsenkörpern zusammengefaßt sind, und diese auf einem Polygonzug um den Strahler herum angeordnet sind. 6. Linse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenkörper in Vierecksform angeordnet sind. Linse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonzug eine Vierecksform ist und nur drei Seiten dieser Vierecksform phasendrehende Mittel enthalten. B. Linse nach Anspruch 5, dadurch gekeiiiizeichnet, daß die Linsenkörper in Dreiecksform zueinander angeordnet sind. cg. Linse nach einem der .-\iislirüclie 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Teillinsenkörper Trichter anschließen und die Spitzen dieser Trichter auf einen als Strahler wirkenden Punkt zusammenlaufen. io. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen der phasendrehenden Mittel so ausgebildet sind, daß die Gesamtpliasendrehung der von einem zentrischen Punkt ausgehenden Strahlung in allen Punkten der strahlenden Zylinderfläche bzw. in einer zur Strahlungsrichtung senkrecht stehenden Fläche angenähert die gleiche ist. ii.'Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Begrenzungsflächen des Linsenkörpers nach der Kurve eines Kegelschnittes, insbesondere einer Hyperbel oder Ellipse, geformt ist. 12. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, nach der Seite geringerer Strahlenkonvergenz zu liegende Begrenzungsfläche des Linsenkörpers zylinderförmig bzw. eben ausgebildet ist und die innere dein Brennpunkt zugekehrte Begrenzungsfläche als Schnittkurve eine Kegelschnittkurve, insbesondere eine Ellipse, aufweist. 13. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Begrenzungsfläche des Linsenkörpers zylinderfömig bzw. eben ausgebildet ist und die äußere Begrenzungsfläche als Schnittkurve eine Kegelschnittkurve, insbesondere eine Hyperbel, aufweist. 14. Linse nach einem der Ansprüche i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß beide Begrenzungsflächen des Linsenkörpers die Schnittkurve angenähert eines Kegelschnittes aufweisen. 15. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur wenigstens einer der Begrenzungsflächen in an sich bekannter Weise gestuft ist. 16. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Mittel aus Hohlleitern gebildet sind. 17. Linse nach einem der Ansprüche i bis 15 für linear polarisierte Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einzelnen parallel zur Ebene des Vektors des elektrischen Feldes der Welle liegenden, insbesondere unter sich gleichen Platten aufgebaut ist. 18. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Isolierstoff gegen den Außenraum abgeschlossen ist. i9. Linse nach einem der Ansprüche i bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Mittel aus dielektrischem Stoff hergestellt sind. 2o. Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Strahler oder Speisepunkt und Linsenkörper durch leitende Flächen gegen denAußenraum abgeschlossen ist. 21. Linse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Kegelflächen als Strahler benutzt ist.
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