DE844319C - Dielektrischer Wellenwandler fuer elektrische Mikrowellen - Google Patents
Dielektrischer Wellenwandler fuer elektrische MikrowellenInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
Landscapes
- Polarising Elements (AREA)
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)
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
© 5236 7. M
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US270408XA | 1946-01-22 | 1946-01-22 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE844319C true DE844319C (de) | 1952-07-21 |
Family
ID=21835343
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEP28869A Expired DE844319C (de) | 1946-01-22 | 1948-12-31 | Dielektrischer Wellenwandler fuer elektrische Mikrowellen |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
BE (1) | BE470236A (de) |
CH (1) | CH270408A (de) |
DE (1) | DE844319C (de) |
FR (1) | FR941005A (de) |
GB (1) | GB655936A (de) |
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0
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1947
- 1947-01-02 GB GB160/47A patent/GB655936A/en not_active Expired
- 1947-01-09 FR FR941005D patent/FR941005A/fr not_active Expired
- 1947-01-22 CH CH270408D patent/CH270408A/fr unknown
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1948
- 1948-12-31 DE DEP28869A patent/DE844319C/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CH270408A (fr) | 1950-08-31 |
FR941005A (fr) | 1948-12-30 |
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GB655936A (en) | 1951-08-08 |
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