DE844319C - Dielektrischer Wellenwandler fuer elektrische Mikrowellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Übertragungssysteme, und zwar auf von außen beeinflußte dielektrische Mittet zum Brechen oder Umwandeln geleiteter oder nichtgeleiteter elektromagnetischer Wellen.

Bekanntlich werden dielektrische Leitmittel in großem Umfang benutzt, um elektromagnetische Wellen zu übertragen, und zwar bestehen diese Leitmittel aus einem metallischem, rechteckigen Rohr, das ein dielektrisches Medium, wie beispielsweise Luft, einschließt. Es sind auch schon verschiedene Anordnungen und Systeme vorgeschlagen worden, die dazu dienen sollen, charakteristische Merkmale der geleiteten Wellen umzuwandeln, wie z. B. die Ebene der Polarisation (senkrecht oder waagerecht), die Art der Polarisation (linear oder zirkulär) oder auch dieRichtung der Fortpflanzung. Auch sind von außen beeinflußte oder sekundäre Antennenglieder zum Ändern oder Beugen der Fortpflanzungsrichtung sogenannter Raumwellen vorgeschlagen worden, d. h. von Wellen, die sich durch den Äther fortpflanzen. Hierbei handelte es sich um geradlinige Kanäle oder schmale Durchtrittsöffnun»- gen mit Luft als Dielektrikum, von denen jeder zwei parallele metallische Elemente besaß, die um weniger als eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt und je an zwei Seiten offen waren. Wegen der nach oben abschneidenden Wirkung des zwischen den Elementen bestehenden Zwischenraumes werden die eintreffenden Wellen durch die dielektrischen Kanäle

reflektiert und das von außen beeinflußte Glied arl >eitet als reflektierende Antenne.

Im allgemeinen verwenden die vorstehend erwähnten Systeme gebräuchliche Ausführungsformen, wie beispielsweise Drähte, feste metallische Beugungsmittel sowie Brechungsmittel aus gleichmäßigem, festem dielektrischem Material. Diese gebräuchlichen Ausführungsformen führen oft zu außerordentlich großen Energieverlusten und sind

ίο im allgemeinen nicht nur kompliziert im Aufbau, sondern auch schwierig in der Handhabung. Im übrigen sind auch die meisten dieser Ausführungsformen nicht geeignet, die Eigenschaften einer nicht geleiteten oder Raumwelle zu beeinflussen und sind auch sonst nicht in jeder Hinsicht befriedigend. Auf Grund dieser Tatsache ist es wünschenswert, zum Beeinflussen der Eigenschaften von geleiteten und von Raumwellen einfache und leicht aufgebaute Ausführungsformen zu verwenden. Im besonderen und

ao in Übereinstimmung mit der Erfindung erscheint es außerordentlich vorteilhaft, von außen beeinflußte Anordnungen zu benutzen, die Kanäle mit Luft als Dielektrikum enthalten, wobei jeder Kanal parallele leitende Platten besitzt, die eine halbe Wellenlänge

as oder mehr voneinander entfernt sind und dazu dienen, die Raumwellen umzuwandeln. Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Systemen werden die auftreibenden Wellen hier wegen der unten abschneidenden Wirkung des zwischen den Platten befindlichen Zwischenraumes aufgenommen, und zwar durch die dielektrischen Kanäle, und sie werden daher in den Kanälen gebrochen oder anderweitig umgewandelt.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, mit einer einfachen, wirtschaftlich und leicht gebauten Anordnung praktisch ohne Energieverlust die Eigenschaften einer geradlinig fortschreitenden Welle umzuwandeln.

Es kann sich dabei darum handeln, geradlinig ausgebreitete Wellen praktisch ohne Verlust zu brechen oder Wellen einer bestimmten Frequenz zu l>eugen und Wellen von verschiedenen Frequenzen zu zerstreuen, auch dieses beides praktisch ohne Verlust. Weiterhin ist es möglich, die Ebene der linearen Polarisation einer Raumwelle oder einer geleiteten Welle zu verschieben. Ebenso kann die feste lineare Polarisation einer Welle in eine umlaufende lineare Polarisation umgewandelt werden und umgekehrt, ohne daß praktisch Verluste dabei auftreten.

Schließlich befaßt sich die Erfindung in einer Ausführungsform auch noch damit, Reflektionserscheinungen an der Oberfläche des vorstehend genannten Wellenumwandlers auszuschließen.

Der hier benutzte Ausdruck Wellenleiter l>ezeichnet im allgemeinen erstens eine leitende Verbindung wie beispielsweise eine Eindraht- oder eine Zweidrahtleitung oder eine gebräuchliche coaxiale Leitung, und zweitens eine dielektrische Verbindung, wie beispielsweise ein metallisches Rohr, das mit einem gasförmigen, flüssigen oder festen Dielektrikum gefüllt ist, oder aber auch einfach eine Stange aus dielektrischem Material. Der Ausdruck dielektrischer Leiter bezeichnet eine dielektrische Verbindung, bei der das dielektrische Medium vollständig von einem oder mehreren leitenden Elementen eingefaßt ist, wohingegen die Bezeichnung dielektrischer Kanal eine dielektrische Verbindung bedeutet, l>ei der das dielektrische Mittel von leitenden Elementen nur an zwei einander gegenül >erliegenden Seiten l>egrenzt ist. Der hier benutzte Ausdruck Polarisation l>ezieht sich auf die elektrische Polarisation. Der Ausdruck feste lineare Polarisation bezieht sich auf eine Welle mit gleichphasigen, senkrecht zueinanderstehenden Polarisationskomponenten und der Ausdruck Rotationspolarisation bedeutet eine Welle, l>ei der die senkrechten Komponenten phasenmäßig um 90⁰ verschoben sind.

Der erfindungsgemäße Wellenwandler beruht auf einer Beeinflussung der Wellenlänge und der Phasengeschwindigkeit einer Mikrowelle während ihres Durchganges durch den Wandler. Diese Beeinflussung wird durch die Anordnung von mindestens zwei parallelen, leitenden Platten, die einen dielektrischen Kanal begrenzen, bewirkt. Der Plattenabstand soll mindestens eine hall>e Wellenlänge l>etragen und die Plattenbreite, welche die Tiefe des Kanals bestimmt, sowie die Orientierung der Platten bezüglich der Polarisation der einfallenden Welle, werden entsprechend der gewünschten Einwirkung bemessen.

Eine Ausführungsform der Erfindung stellt eine von außen beeinflußte Anordnung zur Drehung der Polarisation dar, die mehrere parallele dielektrische Kanäle von rechteckigem Querschnitt aufweist, wobei jeder Kanal oben und unten offen ist. Jeder Kanal besitzt ein Paar rechteckige Platten als seitliche Begrenzung, diese Platten sind wenigstens eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt und schließen das Dielektrikum zwischen sich ein. Die Platten verlaufen parallel zueinander, und zwar in einem Winkel von 45⁰ in bezug auf die Polarisation der einfallenden Welle. Die Tiefe des Kanals, gemessen parallel zur Fortpflanzungsrichtung der Welle, ist konstant. Gemessen in geleiteten Wellenlängen innerhalb der dielektrischen Kanäle, ist die Tiefe um eine Viertel wellenlänge oder um ein ungerades Vielfaches davon kleiner als die gleiche Tiefe, gemessen in Wellenlängen im freien Raum. Beim Arbeiten geht die senkrecht zu den Platten verlaufende Polarisationskomponente durch das Gerät hindurch, ohne Änderung in ihrer Phasengeschwindigkeit oder Wellenlänge. Hingegen wird die andere Komponente, die parallel zu den Platten verläuft, um eine Viertelwellenlänge, d. h. um 90⁰, bezogen auf die senkrechte Komponente, gedreht, so daß die heraustretenden senkrechten Komponenten phasenmäßig um 90⁰ verschol>en sind. Unter der Annahme, daß die Komponenten die gleiche Amplitude besitzen, wird somit eine zirkulär polarisierte Welle erzielt.

Eine andere Ausführungsforin der Erfindung besteht in einer Anordnung zum Verschieben oder Drehen der Wellenpolarisation. Diese Anordnung enthält einen Wellenwandler, der im wesentlichen mit dem oben l>eschriebenen übereinstimmt, mit dem

einen Unterschied, daß die Kanaltiefe, gemessen in geleiteten Wellenlängen, um eine halbe Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches davon kleiner ist als die gleiche Tiefe, gemessen in Raumwellenlängen. Praktisch besteht dieser Wellenschieber aus zwei aneinander angrenzenden Polarisatoren, die einander mit ihren Stirnseiten gegen über stehen. Die senkrechte Komponente geht durch die Anordnung im wesentlichen unbeeinflußt hindurch, während der ίο Phasenwinkel der parallelen Komponente gegenüber demjenigen der senkrechten Komponente um i8o° vorgerückt ist. Infolge dieser Änderung des Phasenwinkels ist die Polarität der Parallelkomponente jetzt umgekehrt. Unter der Voraussetzung, daß die Komponenten von gleicher Amplitude sind, ist jetzt die Polarität der austretenden Welle senkrecht zu der Polarität der eintretenden Welle.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Prisma, und zwar eine Anordnung ungleichmäßiger Struktur zum Zerstreuen und Brechen der Wellen, l>ei der diese also nicht in einem Brennpunkt vereinigt werden. Diese Anordnung zum Umwandeln der Wellen gleicht in gewisser Hinsicht den vorher beschriebenen. Ein wesentlicher Unterschied besteht aber darin, daß hier die Platten nicht rechteckig, sondern dreieckig sind. Mit anderen Worten: Die Tiefe der Kanäle bzw. ihre Dicke ist nicht konstant, sondern spitz zulaufend. Da als dielektrisches Medium Luft benutzt ist, ist die Charakteristik der Phasengeschwindigkeit in den Kanälen für Wellen, die parallel zu den Platten polarisiert sind, größer als die im freien Raum. Beim Arbeiten wird daher die Fortpflanzungsrichtung der eintreffenden Wellen in Richtung auf den dünneren Teil des Prismas abgebogen bzw. gebrochen. Der Grund hierfür liegt in der erhöhten Phasengeschwindigkeit nach Maßgabe der spitz zulaufenden Tiefe der Kanäle. Der Winkelbetrag, um den die Wellenrichtung abgelenkt wird, hängt von der Frequenz der eintreffenden Welle ab. Infolgedessen ergibt sich eine zerstreuende Wirkung, wenn Wellen verschiedener Frequenz durch das Prisma hindurchtreten. Bei jeder der vorstehend l>eschriel)enen Ausführungsformen können die Längskanten aller Platten gemäß weiterer Erfindung so ausgebildet werden, daß Reflektionsverluste auf der Stirnseite wie auch auf der Rückseite des Wellenwandlers weitgehend ausgeschlossen werden.

Die Erfindung wird besser verständlich sein bei Durchsicht der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen,'in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente von einander entsprechender Arbeitsweise l>edeuten.

Fig. ι und 2 zeigen in räumlicher Darstellung bzw.. seitlich im Schnitt eine Anordnung zum Erzeugen von Zirkularpolarisation gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 3 ist ein Phasenvektordiagramm, das zur Erläuterung der Anordnung nach Fig. 1 und 2 dient; Fig. 4 ist eine Seitenansicht im Schnitt von einer Anordnung zum Verschieben der Polarisation;

Fig. 5 stellt ein Polaritätsdiagramm' dar, das zur Erläuterung der Anordnung nach Fig. 4 dient; Fig. 6 und 7 geben eine räumliche Darstellung bzw. eine Seitenansicht im Schnitt von einer brechenden und zerstreuenden Anordnung gemäß einer Ausführungsform vorliegender Erfindung; Fig. 8 ist eine Teilansicht von der Seite und Fig. 9 eine Teilansicht in räumlicher Darstellung, und zwar beides von einem Paar stufenförmig gezähnter Metallplatten, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dazu dienen, die Scheinwiderstände einander anzupassen und dadurch Reflektionserscheinungenzu unterdrücken. Sie sind bei den Anordnungen nach Fig. 1, 2, 4 und 6 anwendbar, und ; zwar an Stelle der rechteckigen Platten; Fig. 10 ist eine ausschnittsweise Seitenansicht einer gezackten Platte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls für die Anordnungen nach Fig. 1, 2, 4 und 6 anwendbar ist;

Fig. 11 ist eine ausschnittsweise Seitenansicht' eines Wellenwandiers, bei dem die einander benachbarten Platten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gegeneinander verschoben sind, um Reflektionserscheinungen zu unterdrücken;

Fig. 12 ist eine ausschnittsweise Seitenansicht eines Wellenwandlers, der verhältnismäßig dicke Metallplatten besitzt, in Verbindung mit dünnen Umformungsplatten, die dazu dienen, den Scheinwiderstand anzupassen;

Fig. 13 schließlich ist eine ausschnittsweise Vorderansicht eines Wellenwandlers gemäß einer Ausführungsform vorliegender Erfindung, bei dem die MetaHplatten durch einen als Dielektrikum dienenden festen Körper in ihrer Lage gehalten werden, wobei dieser feste Körper eine dielektrische Konstante besitzt, die etwa der Einheit entspricht, d. h. der Dielektrizitätskonstanten von Luft.

In den Fig. 1 und 2 bedeutet 1 einen Wellenwandler, der zum Drehen der Polarisation dient. Er enthält mehrere parallele dielektrische Kanäle 2, von denen jeder durch die Innenflächen von zwei parallelen, ihn begrenzenden MetaHplatten3 und der durch diese eingeschlossenen ale Dielektrikum dienenden Luft gebildet wird. Das obere Ende 4 und d!as untere Ende 5 der Kanäle sind elektrisch offen. Die Platten werden in ihrer Lage durch einen rechteckigen Holzrahmen 6 festgehalten. In Längsrichtung sind die Platten unter einem Winkel von 45⁰, bezogen auf die Polarisation 7, angeordnet. Die Plattenbreite, d. h. die Tiefe der Kanäle d, erstreckt sich in Richtung parallel zur Fortpflanzungsrichtung 8 der eintreffenden Welle. Die Platten sind äußerst dünn und besitzen voneinander einen Abstand o, der mindestens eine halbe Wellenlänge der eintreffenden Welle beträgt. Da als dielektrisches Medium Luft dient, deren Dielektrizitätskonstante die Einheit darstellt, sind in jedem Kanal die Phasengeschwindigkeit ν und die Wellenlänge λ von Wellen, die parallel zu den Platten polarisiert sind, größer als die Phasengeschwindigkeit V₀ und die iao Wellenlänge X₀ von Wellen im freien Raum sowie auch von Wellen-, die senkrecht zu den Platten polarisiert sind, wobei die letzteren beim Durchgang durch die Kanäle im wesentlichen unbeeinflußt bleiben. Gemessen in Wellenlängen in den Kanälen »»5 ist dieser Wert von d um eine Viertelwellenlänge

oder ein ungerades Vielfaches davon kleiner als der Wert von d, gemessen in Wellenlängen im freien Raum. Bei einer praktischen Ausführungsform, die für eine Wellenlänge von X₀ gleich 3,4 cm bestimmt ist, entspricht 1,0 X₀ dem Wert 0,75 X, d dem Betrag von 3,4 cm und α dem von 2,57 cm.

Beim Arbeiten besitzt, wie Fig. 1 und 3 zeigen, der Polarisationsvektor 7 der ankommenden, linear polarisierten Welle eine Komponente 9 senkrecht zu

to den Platten 3 und eine Komponente 10 parallel zu diesen Platten, wobei diese Komponenten miteinander in Phase sind, wie im Phasendiagramm Fig. 3 durch die mit ausgezogenen Linien gezeichneten Vektoren 7, 9 und 10 gezeigt wird. Nimmt man an, daß d dem Wert X₀ gleich ist, so erleidet die Komponente 9 in dem Polarisator eine Änderung des Phasenwinkels um 360⁰, während die Komponente 10 eine Änderung des Phasenwinkel« um 270⁰ erleidet, wie die Fig. 3 durch die gestrichelt gezeich-

ao neten Vektoren 9 und 10 veranschaulicht. Infolgedessen sind die senkrechten Komponenten 9 und 10 der den Polarisator 1 verlassenden Welle in ihrer Phase um 90⁰ verschoben, und der resultierende Vektor 11 der linearen Polarisation dreht sich daher

»5 wie eine Speiche in einem Rade. Wenn die Komponenten 9 und ι ο gleich groß sind, so erhält man auf diese Weise eine zirkulär polarisierte Welle. Sind diese beiden Komponenten jedoch verschieden groß, so ergibt sich eine elliptisch polarisierte Welle.

Kurz gesagt also wandelt dieses Gerät die Welle um, indem es seine feste, nicht umlaufende oder sogenannte lineare Polarisation in eine umlaufende lineare oder sogenannte rotierende Polarisation umwandelt.

Das Gerät nach Fig. 4 zur Drehung der Polarisationsebene entspricht dem vorstehend beschriebenen nach Fig. 3, jedoch mit der Ausnahme, daß die Breite der Platten, die gleich der Kanaltiefe ist, 2 d beträgt. Eine räumliche Darstellung dieses Ver-Schiebers würde im großen und ganzen ähnlich der in Fig. ι gegebenen räumlichen Darstellung des Polarisators sein. Bei der folgenden Beschreibung der Arbeitsweise des Polarisationsschiebers wird daher auf Fig. ι Bezug genommen. Die Tiefe 2 d der elekirischen Kanäle, gemessen in Kanalwellenlängen, ist um eine halbe, Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches davon kleiner als dde gleiche Tiefe 2 d, gemessen in Raumwellenlängen. Bei einer erprobten Ausführungsform des Schiebers hatte die Tiefe 2 d den Wert 2,0 X₀, entsprechend 1,5 X. Wie vorher festgestellt, enthält der Verschieber gewissermaßen zwei aneinander angrenzende Verschieber, die im Zug der Wellen einander gegenüberstehen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 5 ergibt sich für den Betriebszustand unter der Annahme, daß 2 d dem Wert 2,0 X₀ entspricht, daß die in den Verschieber eintretende senkrecht zu den Kanalwänden polarisierte Komponente 9 ihren Phasenwinkel um 720⁰ ändert, entsprechend den beiden Wellenlängen innerhalb des Verschieben. Die Parallelpolarisationiskomponente 10 ändert ihren Phasenwinkel um 540⁰, entsprechend 1,5 Wellenlängen oder drei halben Wellenlängen. Infolgedessen ist im Endergebnis die Phase der Komponente 9 beim Verlassen des Verschiebers die gleiche wie die Phase dieser Komponente beim Eintritt. Demgegenüber ist bei der Komponente 10 die Phase beim Austritt entgegengesetzt derjenigen beim Eintritt. Auf Grund dieser Phasenumkehr der Komponente 10 ist die Polarität dieser Komponente entgegengesetzt. Unter der Annahme, daß die Komponenten beide gleich groß sind, ergibt sich somit, daß die Polarität der austretenden resultierenden Welle senkrecht zur Po-Iarität7 der eintretenden resultierenden Welle ist. Somit sind, wie in dem Polaritätsdiagramm' der Fig. 5 gezeigt wird, die Polaritäten der eintreffenden senkrechten Komponente 9, die durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, und die austretende senkrechte Komponente 9, die gestrichelt gezeichnet ist, einander gleich, während die Polaritäten der Komponente 10 beim Eintritt und beim Austritt, wie durch eine ausgezogene bzw. eine gestrichelte Linie dargestellt, einander entgegengesetzt sind. Die Polarität 12 der austretenden Resultierenden ist senkrecht zur Polarität 7 der eintretenden Welle. Daraus ergibt sich: Ist die eintretende Welle senkrecht polarisiert, so ist die austretende Welle waagerecht polarisiert. Entsprechendes gilt umgekehrt. Wenn die Komponenten 9 und 10 verschiedene Größen besitzen, so wird die Polarisation um einen Winkel verschoben, go der von 90⁰ abweicht. Somit beeinflußt der Verschieber die Welle, indem er die Ebene oder die Orientierung der Wellenpolarisation ändert.

In Fig. 6 und 7 ist ein Wellenwandler in Prismenform veranschaulicht. Hieraus ist ersichtlich, daß dieser Wandler ein Prisma 13 darstellt, das mehrere dielektrische Kanäle 2 besitzt. Jeder dieser Kanäle enthält Luft als dielektrisches Medium und wird durch einfache metallische Platten 14 von der Form rechtwinkliger Dreiecke gebildet. Die Platten 14 sind in einem hölzernen Rahmen 15 befestigt und besitzen voneinander einen Abstand a, der wenigstens eine halbe Wellenlänge der eintretenden Welle beträgt. Die spitzen Plattenwinkel sind mit α und β bezeichnet. Da die Platten dreieckig sind, läuft die Tiefe eines jeden der Kanäle gleichmäßig spitz zu, und zwar von einem Kleinstwert an dem einen Ende, nämlich der Spitze, zu einem größten Wert an der gegenüberliegenden Seite, nämlich dem Fuß. Wie bei dem oben beschriebenen Polarisationsdreher und Polarisationsverschieber, sind die Kanalphasengeschwindigkeit ν und die Kanalwellenlänge λ größer als die Phasengeschwindigkeit V₀ und die Wellenlänge X₀ im Raum. Das mit η bezeichnete Verhältnis der Phasengeschwindigkeit im Raum zur Phasengeschwindigkeit im Kanal ist der Brechungsindex und ist kleiner als 1. Das bedeutet

Wenn nun eine Welle in der Fortpflanzungsrichtung 16 senkrecht zu der Stirnfläche 17 des Brechungsprismas 13 in dieses eintritt, so wird die Wellenrichtung gebeugt oder gebrochen, und zwar nach dem dünnereniTeil des Prismas zu, wie es durch den Richtungspfeil 18 für die austretende Welle an-

gegeben ist. Für einen vorgegebenen Wert von η ist der Winkel zwischen den beiden Richtungen 16 und 18 eine Funktion von α bzw. ß. In dem Sonderfall, daß die eintreffende Welle eine ebene Wellenfront besitzt und die strichpunktierten Linien 19 aufeinanderfolgende gleichphasige oder gegenphasige Fronten darstellen, die im Äther um I₀ voneinander entfernt sind, so ist der Abstand λ zwischen den aufeinanderfolgenden Frontflächen 20 innerhalb des Brechungsprismas 13, wie Fig. 7 zeigt, größer als X₀. Beim Austritt aus dem Brechungsprisma nehmen die Wellenfronten wieder ihre Abstände im Äther ein, so daß die Richtung der Fortpflanzung gebrochen ist. Wenn η größer wäre als I, wie es in optischen Prismen und bekannten Prismen für elektromagnetische Wellen der Fall ist, so würde die Richtung der Wellen abwärts zu dem breiteren Teil des Prismas abgebogen werden, wie durch den gestrichelten Pfeil 21 angedeutet. Nun können die eintretenden und austretenden Wellen auch, wie durch die Kreislinien 22 und 23 zum Ausdruck gebracht, an Stelle einer ebenen auch eine gekrümmte Wellenfront besitzen, beispielsweise eine kreisförmige oder kugelförmige Front. Das Prisma nach as Fig. 6 ist nicht in der Lage, Wellen jeder Polarisation zu brechen. Es kann aber dafür geeignet gemacht werden, indem man Platten verwendet, die senkrecht zu den gezeigten Platten stehen, so daß sich ein zellenartig aufgebautes Prisma ergibt. Bei den Wellenwandlern, die vorstehend beschrieben und durch die Fig. 1,2,4 ^u™i 6 erläutert wurden, ergibt sich eine gewisse Reflektion, und zwar sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite der Wandler. Infolgedessen werden die Längskanten der metallischen Platten bei diesen Anordnungen vorzugsweise stufenförmig ausgebildet, wie in Fig. 8 und 9 gezeigt, um die Reflektion an diesen Oberflächen zu unterdrücken oder zumindest zu verringern. Die Zacken 24 in Fig. 8 und 9 haben eine Tiefe und eine Länge von je einer Viertelwellenlänge. Betrachtet man die Kanten einer einzelnen Platte, so ist die Zahl der Vertiefungen ebenso groß wie die Zahl der Vorsprünge. Die Zahnung ist in gewissem Sinn zusätzlich an die Platten angefügt, so daß die gesamte Breite der Platten beispielsweise bei dem Polarisationsdreher nach Fig. 2 gleich d zuzüglich einer Viertelwellenlänge für die Zahnung der Vorderseite und einer Viertelwellenlänge für die Zahnung der Rückseite beträgt.

Betrachtet man ein Paar benachbarter Platten im Betriebszustand, so stellt die Oberfläche 25 der als Dielektrikum dienenden Luft, die zwischen den Bodenkanten eines Paares einander entsprechender Zähne verläuft, eine reflektierende Fläche dar. Das gleiche gilt für die obere Fläche 26 der als Dielektrikum dienenden Luft, die zwischen den äußeren Kanten von je zwei einander entsprechenden Zähnen verläuft. Auch diese Fläche stellt eine reflektierende Fläche dar. Da die beiden Oberflächen, gesehen in Fortpflanzungsrichtunig der Welle, um eine Viertelwellenlänge gegeneinander versetzt sind, so ergibt sich, daß Wellen, die auf diese Flächen auftrennen und von ihnen reflektiert werden, sich gegenseitig auslöschen. Als Beispiel sei angenommen, daß die Fig. 8 und 9 die Stirnkanten der Wellenwandlerplatten darstellen mögen. Dann werden die Komponenten 27 und 28 einer eintreffenden Welle, wie Fig. 8 zeigt, mit entgegengesetzter Phase reflektiert, wie durch die Vektoren 29 und¹30 dargestellt. Wenn man dagegen die Fig. 8 und 9 als Darstellungen! der rückwärtigen Kanten der Platten betrachtet, so zeigt sich, daß die austretenden Wellen 31 und 32 mit entgegengesetzter Phase reflektiert werden, wie durch die Vektoren 33 und 34 dargestellt. Da die Gesamtfläche, die sich aus den reflektierenden Flächen 25 zusammensetzt, ebenso groß ist wie die gesamte Fläche der reflektierenden Einzelflächen 26, so wird die Reflektion vollständig unterdrückt oder mit anderen Worten: Der Scheinwiderstand des Wellenwandlers und¹ der Scheinwiderstand des Fortpflanzungsweges im Äther sind sowohl für die eintretenden als auch für die austretenden Wellen aneinander angepaßt.

Die Platten des Wellenwa/ndilers können auch gezähnte Längskaniten in der Form haben, wie sie Fig. 10 zeigt, an Stelle der stufenförmig gezähnten Kanten nach Fig. 8 und 9. Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 haben die V-förmigen Vertiefungen 35 in ihrem Scheitelpunkt 36 eine Tiefe von einer halben Wellenlänge, und sie sind'eine halbe Wellenlänge lang, so daß die mittlere Tiefe des V-förmigen Abschnitts eine Viertelwellenlänge beträgt. Im Betriebszustand ist die V-förmige reflektierende Oberfläche einer Vertiefung in ihrer Wirkungsweise vergleichbar der um eine Viertelwellenlänge vertieften Reflektionsfläche 25 in Fig. 8 und der benachbarten vorstehenden Fläche 26. Oder mit anderen Worten: Die Wellen, die durch den Bereich in der Nähe des Scheitels 36 und diejenigen, die durch die weiter außen liegenden Teile in der Nähe der Spitze 37 reflektiert werden, werden durch diejenigen Wellen ausgelöscht, die durch die mittleren dielektrischen Bereiche in der Nähe der mittleren Punkte 38 reflektiert werden. Auch auf diese Weise also wird eine Anpassung der Scheinwiderstände erreicht.

Eine weitere Anordnung zur Anpassung der Scheinwiderstände ist in Fig. 11 dargestellt. Hier haben die Platten sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite geradlinig verlaufende Kanten. Jede zweite Platte ragt um eine Viertelwellenlänge über die benachbarten Platten heraus, so daß gewissermaßen zwei voneinander verschiedene Sätze von Platten vorhanden sind. Im Betriebszustand stellen die beiden herausragenden¹ Teile 39 eines Paares benachbarter Platten des breiten Plattensatzes einen Viertelwellenumformer dar, der dazu dient, den Scheinwiderstand von zwei dielektrischen Kanälen 2 an den Scheinwiderstand des freien Raumes anzupassen. iao

Bei der Ausführungsform nach Fig. 12 sind die Platten 3 verhältnismäßig dick. Jede Längskante einer Platte trägt einen dünnen metallischen Streifen 40, der eine Breite von einer Viertelwellenlänge besitzt. Der Abstand j zwischen den Streifen 40 ist 1*5 größer als der Abstand α zwischen den Platten 2.

Auf diese Weise stellt jedes Paar benachbarter Streifen 40 einen Viertelwellenumformer für den Scheinwiderstand dar und dient dazu, den Scheinwiderstand des eingeschlossenen dielektrischen Kanals 2 an den Scheinwiderstand des freien Raumes anzupassen, wodurch auch hier wieder das Auftreten von Refkktiomserscheinungen vermieden ist.

Die bisher beschriebenen WeIlenwandler verwenden Luft als dielektrisches Medium und benötigen somit eine Tragkonstruktion, wie beispielsweise den hölzernen Rahmen 6 bei der Anordnung nach Fig. 1. Wenn es erwünscht ist, kann man aber, wie in Fig. 13 gezeigt, den hölzernen Rahmen bei jeder dieser Anordnungen auch fortlassen. Zu diesem Zweck wird an Stelle von Luft als Dielektrikum Polystyrenschaum 42 verwandt oder ein anderer Stoff von ähnlich geringem Gewicht, dessen Dielektrizitätskonstante etwa den Wert 1 besitzt. Der Schaum kann mit den Platten 3 fest verbunden sein, d'ie aus Schvvermetallfolie hergestellt sein mögen. In diesem Fall wirkt der Schaum gleichzeitig als Dielektrikum und als tragende Konstruktion, die die

, Platten im richtigen Abstand voneinander hält. Da die Dielektrizitätskonstante des Schaumes etwa die gleiche wie diejenige von Luft ist, so ist der Brechungsindex « für einen vorgegebenen Wert der Kanalbreite bei einem Schaumkanal etwa ebenso groß wie bei einem Luftkanal.

Bekanntlich ist die Dämpfung in einem dielektrisehen Kanal, wie beispielsweise in einem gebräuchlichen dielektrischen Leiter, umgekehrt proportional dem Querschnitt und direkt proportional der axialen Länge des Kanals. Unter der Annahme, daß die axiale Länge, gemessen in Fortpflanzungsrichtung der Welle, lang ist und die Breite größer ist als eine halbe Wellenlänge, können Oberwellen zweiter oder höherer Ordnung auftreten. Was diese Oberwellen anbelangt, so ist die axiale Länge oder Dicke des metallischen WellenwandHers gemäß der Erfindung, wie z. B. des Prismas, außerordentlich klein und tatsächlich so klein, daß solche Oberwellen gar nicht oder jedenfalls nicht in merkbarem Maße auftreten. Infolgedessen ist bei diesen metallischen Wellenwandlern eine Notwendigkeit, die Breitenr abmessungen zu begrenzen, nicht gegeben. Aus diesem Grund kann die Abmessung in der Breite mehrere Wellenlängen betragen, wovon auch vorzugsweise Gebrauch gemacht wird. Da also die axiale Länge oder Dicke des Wellenwandlers klein ist und die Breitenabmessung groß, so folgt daraus, daß die Dämpfung außerordentlich niedrig und daher vernachlässigbar ist.

In vorstehendem wurde davon gesprochen, daß die dielektrischen Kanäle bei der neuen Anordnung zum Zerstreuen und Brechen an den kurzen Enden, d. h. oben und unten, elektrisch vorzugsweise offen sind. Sie können aber auch elektrisch geschlossen werden. Obwohl also oben und unten die tragenden Elemente des Prismas vorzugsweise aas Holz oder einem anderen isolierenden Material hergestellt werden, so können sie doch auch aus leitendem Material, wie beispielsweise Metall, angefertigt werden. Wenn solche Tragglieder aus Metall benutzt werden, so wird die brechende Wirkung davon nicht beeinflußt. Auch Reflektionserscheinungen sind als Folge davon nicht zu befürchten, und zwar insofern, als ja die Polarisation der Welle senkrecht zu diesen Traggliedern verläuft. Zu dem metallischen Prisma, und zwar insbesondere zu demjenigen mit Schaumdielektrikum., sei noch folgendes hervorgehoben: Während doch bekanntlich die bisher benutzten Prismen mit festem Dielektrikum, insl>esondere auch optische Prismen und Prismen für elektromagnetische Wellen, von homogener Beschaffenheit sind, trifft dieses auf das Prisma nach vorliegender Erfindung.nicht zu, da es ja sowohl leitende als auch dielektrische Elemente enthält. Schließlich sei noch erwähnt, daß bei dem Prisma nach vorliegender Erfindung als Dielektrikum auch ein evakuierter Raum benutzt werden kann, oder aber auch ein gasförmiges, gasähnliches, flüssiges oder festes dielektrisches Medium.

Obwohl zur Erläuterung der Erfindung einige Ausführungsformen als Beispiele gebracht worden sind, so sei doch hervorgehoben, daß die Erfindung sich nicht auf die beschriebenen .Ausführungsformen beschränkt. Der Erfindungsgedanke kann vielmehr auch durch andere Ausführungsformen mit Erfolg verwirklicht werden.

Claims (17)

PATENTANSPRÜCHE:

1. WeWemvandler zur Einwirkung auf Wellenlänge und PhasentrescliAvindigkeit elektrischer Mikrowellen, gekennzeichnet durch mindestens zwei parallele leitende Platten, die zwischen sich jeweils einen dielektrischen Kanal für die durchtretenden Wellen einschließen, die voneinander einen Abstand von mindestens einer halben Wellenlänge besitzen und deren Ausdehnung in Wellenfortpflanzungsrichtung und deren Lage gegenüber der Polarisationsrichtung der ankommenden Wellen im Sinn der gewünschten Einwirkung bemessen sind.

2. Wellenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Platten voneinander einen Abstand von einigen Wellenlängen haben.

3. Wellenwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Brechungsindex in der Größenordnung von 0,5 bis 0,7 besitzt.

4. Wellenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum Luft verwendet wird.

5. Wellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum Polystyrenschaum verwendet wird, der gleichzeitig als Träger für die leitenden Platten dient.

6. Wellenwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanaltiefe, gemessen in Richtung der WeUenfortpflanzung, variiert.

7. Wellenwandler nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, daß die Kanaltiefe sich als eine lineare Funktion ändert, wodurch die Eigenschaften eines quasi-optischen Prismas erzielt werden.

8. Wellenwandler nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß leitende Platten senkrecht zu den ersten Platten angeordnet sind, so daß sich eine zellenartige Struktur ergibt, wodurch Wellen aller Polarisationsrichtungen gebrochen werden.

9. Wellemvandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwandler in l)ezug auf die ankommende Welle so angeordnet ist, daß die einfallende linear polarisierte Welle Komponenten parallel und senkrecht zur Plattenolxrrläche besitzt, und daß die Differenz der konstanten Kanaltiefe, gemessen in Kanalwellenlängen und in Wellenlängen im freien Raum, eine Viertelwellenlänge oder ein ungerades Vielfaches einer Viertelwellenlänge l>eträgt, wodurch Rotationspolarisation der austretenden Wellen erzielt wird.

10. Wellenwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenoberflächen einen Winkel von 45⁰ mit der Polarisationsfolie der linear polarisierten einfallenden Welle bilden, wodurch die l>eideii Wellenkomponenten gleiche Intensität halmen und eine zirkulär polarisierte austretende Welle erzielt wird.

11. Wellenwandler nach einem der Ansprüche ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwandler in l>ezug auf die einfallende Welle so angeordnet ist, daß die einfallende linear polarisierte Welle Komponenten parallel und senkrecht zur Plattenfläche besitzt, und daß die Differenz der konstanten Kanaltiefe, gemessen in Kanalwellenlängen und in Wellenlängen im freien Raum, eine hallx: Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches einer hall>en Wellenlänge beträgt, wodurch eine Drehung der Polarisationsebene erzielt wird.

12. Wellenwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die' Plattenoberflächen mit der Polarisationsel>ene der einfallenden Welle einen Winkel von 45⁰ einschließen, wodurch die l>eiden Komponenten gleiche Intensität besitzen und eine Drehung der Polarisationsel>ene um 90⁰ erzielt wird.

13. Wellenwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Vorder- undl/oder Rückseite längs der Kaniten der leitenden Platten Mittel vorgesehen sind, die dazu dienen, den Scheinwiderstand des Kanals und den Scheinwiderstand des freien Raumes aneinander anzupassen.

14. Wellenwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten stufenförmige Zähne besitzen, die eine Viertelwellenlänige tief und eine Viertehvellenlänge lang sind.

15. Wellenwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Platten zwei Sätze darstellen, derart, daß alle zweiten Platten einen Plattensatz bilden, bei dem die Längskanten auf Vorder- und Rückseite des Wandlers um eine Viertehvellenlänge über die Platten des anderen Plattensatzes hinausragen.

16. Wellenwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Platten im wesentlichen flache Metallplatten darstellen, bei denen auf einer Längskante je ein dünner leitender Streifen befestigt ist, und daß die Breite dieser Streifen in der Größenordnung einer Viertelwellenlänge liegt.

17. W⁷ellenwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Platten zackenförmige Vorsprünge besitzen, die eine halbe Wellenlänge tief und eine halbe Wellenlänge lang sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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