DE868630C - Hochfrequenzleitung zur Ausstrahlung oder Fortleitung sehr kurzer elektrischer Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung· betrifft eine Hochfrequenz-leitung, die zur Übertragung oder zur Ausstrahlung elektrischer Schwingungen sehr hoher Frequenz besonders geeignet ist. Zur Übertragung dienernde· Hocfrfrequenzleitungen bestanden bisher aus zwei von*- einander völlig isolierten metallischen Leitern¹. Hierbei bestehen die Schwierigkeiten!, dlie beiden Leiter durch Isolierkörper gegeneinander abzustützen, wodurch gleichzeitig größere Verluste bedingt werden.

Zur Ausstrahlung dienende Leiter besitzen meist die Form von Stäben oder geschlossenem Zylindern,

die mit den. zu speisenden Geräten so verbunden werden, daß auf ihnen Ströme entstehen, die in ihrer Längsrichtung fließen. Es ist auch schon eine Rundfunkantenne bekannt, die aus einer angenähert zu einem Zylinder zusammengebogenen Metallfläche besteht, wobei die Seitenkanten nicht miteinander leitend verbunden sind, sondern sich derart überlappen, daß der Querschnitt eine Spirale darstellt. Bei dieser Anordnung soll, offenbar durch idie vergrößerte Antennenfläche, eine Verstärkung der Signale erzielt werden,

Die Hochfrequenzleitung gemäß der Erfindung,

welche· zur Übertragung oder Ausstrahlung ultrakurzer elektrischer Wellen, 'dient, bat mit der zuletzt beschriebenen Antenne insofern' eine äußere Ähnlichkeit, als sie als metallischer Zylinder mit einem Längsschlite ausgebildet ist, wobei die Schiitz¹-kanrteni sich gegenüberstehen oder zum Teil etwas überladen können. Die Erfindung aber besteht darin, daß der längs· geschlitzte Metallzy linder durch eine koaxial umgebende Spule 4 (Abb. 1) oder diurch eine an zwei verschiedene Punkte seines Querschnittsumf anges angeschlossene Doppelleitung 4° derart erregt wird, daß Spannungen, zwischen den Schlitzkanten. auftreten und Ströme um den Umfang fließen.

Die beiden, Schlitzkanten stellen eine Eroergieleitung dar, welche Reihemimduktivität· und eine Querkapazität, ähnlich den üblichen Doppelleitungen, besitzt, jedoch außerdem eine parallel zur Querkapazität liegende Querinduktivität, welche durch, 'die Umfangisinduktivität gebildet wird und in der Nähe der Abstimmung die Querkapazität mehr oder weniger neutralisiert.

Hierdurch wind die Dämpfung vermindert unid die Fortschreitunigsgeschwindigkeit erhöht, was insbesondere für den Fall der Ausstrahlung wichtig ist. Man, kann auf diese Weise einen Strahler erhalten, der auf seiner ganzen Länge gleichphasig schwingt, obwohl seine Läng© größer ist als- eine halbe Wellenlänge, was bisher nur durch eimgeschaltete besondere Reihenkapazitäten oder aber mit Hilfe von Umwegleitungem möglich war,

Die Erfindung soll an Hand der Abbildungen, näher erläutert werden. Abb, 1 zeigt, einem rohrförmigen Kupferleiter 1 mit einem Schlitz 2>, weil·· eher sich in einem Gehäuse 3 befindet. Eine Spule 4 umgibt das eine Ende des Leiten» und kann mit hochfrequenter Signalenergie von einer nicht gezeichneten Quelle gespeist werden. Hierbei wird die Signalenergie induktiv auf den Leiter 1 übertragen. Es kann aber auch bei einer anderen Aus;-führungsmöglichlceit die Signalenergie an dem gegenüberliegenideni Kanten des Schlitzes durch zwei Leiter 4P, die punktiert eingezeichnet sind, ummittel'bar galvanisch zugeführt werden. Der Leiter 1 bildet einen geschlosisenen Kanal zur Übertragung des magnetischen Flusses, welcher durch die induzierten Signalströme erzeugt wird, indem der Fluß am entgegengesetzten Ende des Leiters ein Feld aufbaut, welches durch die Spule 51 wieder in elektrische Energie umgesetzt werden kamm. Auf Grund der hohen Frequenz kann der magnetische Fluß, vorausgesetzt, daß das· Kupfer genügend dick ist, dem Kupferleiter nicht durchdringen, und pflanzt sich längs das rohrförmigen. Leiters fort bis auf einen Teil, welcher dlurch deiii Schlitz austritt. Der Schlitz, ist ein notwendiges' Merkmal der Leitung gemäß der Erfindung, damit die Röhre nicht einem Kurzschluß bildet, welcher dem magnetischen Fluß am Eintreten in die Röhre verhindern würde.

In Abb. i, welche reim schematisch den. Erfimdungsgedankeni wiedergibt, sind keine Mittel angegeben, um dem Verlust an magnetischem Fluß durch den Schlitz 2 einstellbar zu gestalten'. Solche Mittel, sdndi im Abb. 2 beispielshalber angegeben. Hier dient eine Platte 6 dazu, den Schlitz abzudecken. Der Abstand dieser Platte soll einstellbar sein, um. die Kraftliniem in gewünschtem Maße an dem Austritt aus der Leitung zu hindern. Ein anderes Mittel, um diesen Effekt zu erzielen, besteht darin, gemäß Abb. 3, 'dem Schlitz, so anzuordnen, daß die Kanten des Leiters' sich überlappen, wobei der Abstand durch isoliert angebrachte Schrauben eingestellt werden kann.

Der Leiter kamm auch aus zwei Teilen von halbkreisförmigem Querschnitt zusammengesetzt sein, wie dies in 'dein Abb. 41 und 5 dargestellt ist. Auch hier ist durch die Schrauben, die Schlitzbreite eimstellbar.

Im folgenden soll die Wirkungsweise des rohrförmigen Leiters für den magnetischem Fluß durch ein Analogiebeispiel dem Verständnis! nähergebracht werden. Hierzu denke man. sich eine gleichartig geformte Röhre aus isolierendem Material, welche in eine leitende Flüssigkeit eingebettet ist. Das Kupferrohr wirkt für den magnetischem Fluß wie das Isolierrohr für den elektrischem Fluß, und die Luft in. dem Kupferrohr und um dasselbe herum wirkt für den magnetischem Fluß' wie eine elektrisch leitende Flüssigkeit innerhalb' und außerhalb' des Isolierrohres. Der Schlitz· in dem Isolierrohr bildet einen Ableitungsweg für den Strom, vom Inneren; des Rohres zu der das Rohr umgebemdem Flüssigkeit. Im Falle der in eine leitende Flüssigkeit eingebetteten Isolierröhre können die kapazitivem Ströme durch den Isolator gegen die induktiven, Ströme'durch den Schlitz, so ausgewogen werdem, daß für eine bestimmte Frequenz der Scbeimleitwert Null vorhanden ist. Der analoge Effekt tritt bei der im Luit eingebetteten Kupferröhre für den magnetischen Fluß auf, indem die Induktivität der durch die Röhre gebildetem Metall·- schleife gegen die durch den Schlitz gebildete Kapazität im geeigneter Weise abgewogen wird.

Die übliche Forderung, die an eine zur Nachrichtenübermittlung benutzte Antenne gestellt wird, besteht darin, daß sie in allem horizontalem Ricl· tungem eine gleichmäßige Strahlung erzeugen soll. Diese Forderung wird z. B. durch eine Vertikal·- amtemne, welche vertikal polarisierte Wellen aus^ strahlt, erfüllt. Wenn; man eine solche Antenne in eine horizontale Lage bringt, damit sie horizontal polarisierte Wellen ausstrahlt, so besitzt sie in der Horizontalebene im Richtung 'der Amtenmeniachse eim Strahlungsminiimum. Zur Erzielung einer Rundstrahlung kann man Kombinationen von Dipolen, benutzen, z. B. gekreuzte Dipole, die mit 90⁰ Phasenverschiebung gespeist werden, oder im Dreieck oder Vieleck aufgestellte Dipole, die gleichphasig gespeist werden. Eine sehr einfache Lösung dieses Problems bestände auch darin, eine horizontal angeordnete Rahmenantenne zu benutzen, wobei die geforderten. Polarisations- und Richteigenschaften automatisch erfüllt werden. Dem steht jedoch der geringe Strahlungswiderstand eines solchen kleinen Rahmens entgegen, welcher eine sehr hohe Selektivität verursacht, so daß die An-

tenne für kurze Wellen· und breite Bänder, wie sie bei Fernsehübertragungen erforderlich sind, nicht benutzt werden· kann.

Nun bildet ein· Abschnitt des in Abb. ι gezeigten zylindrischen. Leiters in der Tat eine solche Schleifenantenne mit einer einzigen, Windung¹. Der Nachteil des geringen Strahlungswiderstandes ist jedoch durch Verminderung der Induktivität überwunden, wenn die Schleife eine zylindrische Form

ίο besitzt, wobei die Länge des Zylinders etwa gleich der Wellenlänge ist. Hierbei tritt der weitere Vorteil auf, daß durch die erhebliche VertikalauiS¹-dehnung der Antenne eine vertikale Bündelung bewirkt werden kann.

Im folgenden soll erläutert werden, wie eine im wesentlichen konstante Stromverteilung bei; einer Antenne hergestellt werden kann, die die Form des Leiters der Abb. ι besitzt. Der Leiter ι bestehe aus Kupfer und sei etwa eine Wellenlänge lang, während der Durchmesser etwa 2/30 betrage. Die Speisung möge durch die punktiert eingezeichneten Leiter /f geschehen.

Wenn man nun die Verteilung der Zirkularströme um den Zylinder herum durch, eine den Zylinder umgebende Schleife, in die ein Meßinstrument eingeschaltet ist, über die ganze Länge des Zylinders untersucht, so> findet man, daß die Stromverteilung an: einem Ende ein scharfes Maximum besitzt. Nähert man nun die Kanten.

des Schlitzes 2 einander immer mehr, so daß sie sich schließlich überlappen, ohne sich zu berühren, so ändert sich die Stromverteilung längs des Zylinders nach· und nach, wobei das Maximum verschwindet und auch an anderen Stellen ein meßbarer Strom auftritt. Die Dämpfung sinkt zunächst, und es kann ein Zustand erreicht werden, bei dem die Stromverteilung über die ganze Länge gleichmäßig ist, abgesehen von einer geringen Dämpfung gegen das· von der Speisestelle, entfernte Ende hin, welche auf die Strahlungs- und die Ohmschen Verluste zurückzuführen ist. Man hat dann ein System vor sich, in dem stationäre Wellen auftreten, deren Wellenlänge erst etwas größer ist als die Wellenlänge in Luft, jedoch können diese Wellen durch weiteres Verengern des Schlitzes in Übereinstimmung gebracht werden.

Die Veränderungen der Stromverteilung können in eine Beziehung gesetzt werden zu der Kapazität zwischen den Schlitzkanten. Der Teil des Rohres in der Nachbarschaft des Schlitzes kann als Leitung mit zwei symmetrischen Leitern aufgefaßt werden, die eine Serieninduktivität und eine Parallelkapazität besitzen, wie im normalen Falle eine Energieleitung, wobei jedoch zusätzlich parallel zu der Kapazität eine kontinuierliche induktive Belastung vorhanden- ist, welche parallel zu der Kapazität Hegt und durch den Zylinderkörper gebildet wird. Ein Elementarabschnitt, dieser Leitung kann also dargestellt werden durch eine Induktivitat in Reihe mit der Speisespannung und eine Parallelkombination einer Induktivität und einer Kapazität. Dies wäre das Bild für eine symrmetrische Anordnung, bei welcher in jedem Leiter die gleiche Induktivität liegt. Die unsymmetrische Form wird durch eine Reiheniradtuktivität im einen Leiter und eine Parallelkombination von Induktivität und Kapazität dargestellt. Wenn der Schlitz weit offen ist, hat die Querkapazität einen geringen Wert und besitzt einen Leitwert, der viel geringer «Is der der Querinduktivität ist. Die Leitung hat also sowohl im Reihenzweig als auch im Parallelzweig eine Induktivität und ist daher stark gedämpft.

Wird nun der Schlitz nach und nach verengert, so wächst die Kapazität und vermindert daher die Dämpfung bis ein Punkt erreicht ist, bei welchem die Querinduktivität und die Querkapazität abgestimmt sind. Unter diesen Bedingungen besitzt die Leitung einen. Parallelzweig sehr hoher Impedanz, so daß die Dämpfung und die Phasenver-Schiebung sehr gering sind, wobei gleichzeitig eine gleichmäßige Stromverteilung über den ganzen Zylinder auftritt:. Wird nun der Schlitz noch weiter verengert, so· wird die Querkapazität noch größer und! neutralisiert die Queri-nidiuktivität, so· daß nunmehr eine übliche Übertragungsleitung gebildet ist, in welcher der effektive Wert der Querkapazität vermindert ist, woraus eine Vergrößerung der Phasengeschwindigkeit- entsteht.

Alle Ströme, welche indem Zylinder fließen, sind imstande zu strahlen, jedoch heben sich diejenigen, welche in der Längsrichtung in der Nähe der Schlitzkanten fließen, im wesentlichen) in ihrer Wirkung gegenseitig auf, so daß das Strahlungsfeld der Ströme überbleibt, welche um den Zylinder herumfließen. Jeder Elementarabsebnitt des Zylinders verhält sich daher wie eine- Rahmenantenne, und die resultierende Strahlung kann aus der Summie-rung der Einzeleffekte nach Amplitude und Phase erhalten, werden. Im Falle der gleichmäßigen Stromverteilung über die ganze Zylinderlänge sind die Ströme in den einzelnen Rahmenabschnitten von gleicher Größe und Phase-, so daß ein Maximum der Strahlung im Äquator der Antenne auftritt.

Es sind Versuche gemacht worden, bei denen ein Aluminiumleiter von quadratischem Querschnitt als Strahler benutzt wurde, wobei eine Quadratseite mit einem überlappenden Schlitz von einstellbarer Weite versehen war. Bei der speziellen Anwendungsweise des· Leiters ändern sich die Kanten des Schlitzes in ihrer Spannung symmetrisch gegen das Erdpotential, indem der Leiter durch symmetrische Hochfrequenzleitungen an dem Schlitekanten gespeist wurde. In einem anderen Falle wurde der Außenleiter einer koaxialen Leitung mit der Kante'des Leiters, die diagonal gegenüber dem Schlitz befindlich war, verbunden^ und der Innenleiter wurde mit der einen Schlitzkante verbunden. Messungen zeigten, daß horizontal polarisierte Wellen ausgesandt wurden und daß ein in der horizontalen Richtung zirkuläres Diagramm vorhanden war. Wenn die Schl-itzbreite größer war als für Abstimmungsverhältnisse erforderlich* so ergab sich in einer Ebene, welche die Leiterachse einschloß, ein schlechtes Richtdiagramm. Ein besseres Richtdiagramm wurde erzielt, wenn die

Schlitzbreite auf Abstimmung eingestellt war und eine gleichmäßige Stromverteilung auf dem Leiter herrschte. Wurde der Schlitz noch weiter geschlossen, um die Bedingungen· von stationären Wellen zu erzielen, so ergab sich ein Richtdiagramm^ mit zwei Strahlüngsmaxima und einem dazwischenliegenden Minimum.

Bei einer Frequenz von 6o MHz, bei welcher die

Versuche durchgeführt wurden, konnte der Strahler an seinem einen Ende gespeist werden· und ergab noch ein Strahluagsmaximum im seinem

Äquator. '

Bei ι Oo MHz fiel für Abstimmungsbedingungen des Strahlers das Strahlungsmaximürn nicht mehr in den Äquator, wenn der Strahler am einen Ende gespeist wurde. Wurde der Strahler in der Mitte gespeist, so fiel das: Strahlungsmaximum wiederum in den Äquator. Der Erhebungswinkel des Strahlungsmaximums¹ wird durch die Phasendifferenzen längs· des Strahlers -hervorgerufen. Die Verluste im Kupfer und die Strahlungsverluste erzeugen nämlich eine Fortpflanzungskonstante mit Phasenverschiebung und Dämpfung. Die FoTtpflaneungskonstante hängt, wie sich zeigen läßt, von dem Abstand vom Speisepunkt' ab. Ein großer Abstand! erzeugt relativ große Phasenverschiebung und Dämpfung und daher ein stärker geneigtes: Diagramm. Um ein symmetrisches Diagramm zu erzielen, muß die Länge zwischen den Speisepunkten möglichst kurz. sein. Daher konnte in dem oben ■ gezeigten Beispiel durch Mittelpunktsspeisung eine bessere Strahlungscharakteristik erzielt werden, als durch Speisung von einem Ende her. Derselbe EfEekt kann insbesondere bei längeren Strahlern durch eine Anzahl gleichmäßig verteilter Speisepunkte erzielt werden. So trat z. B. bei I15O' MHz das Phänomen der Neigung des. Strahhingsmaximums bei Speisung von einem Ende her stark - in Erscheinung und konnte durch Anwendung von fünf Speisepunkten., die gleichmäßig über die Länge verteilt waren, wieder völlig beseitigt werden. Die fünf Speisepunkte waren mit fünf gleichartigen Speiseleitungen verbunden, welche von einem gemeinsamen Punkt her gespeist wurden. Bei den Experimenten wurden günstige Wirkungsgrade, verglichen mit einem 2/2 Dipol für einen schmalen Frequenzbereich, erzielt.

Oberhalb der kritischen Frequenz ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit endlich, d. h. es tritt eine kontinuierliche Phasenverschiebung über die Länge des Strahlers auf, während keine Dämpfung vorbanden ist. Daher entstehen bei nicht richtiger Anpassung an den Klemmen stehende Wellen, die auf Reflexionen zurückzuführen sind. Es wurden Versuche zur Untersuchung des Auftretens von stehenden Wellen gemacht. Hierzu wurde eine Frequenz von 150 MHz benutzt bei einem Kupferleiter von quadratischem Querschnitt, welcher 17 cm breit und 60 cm lang war, also gerade etwa eine Viertelwellenlänge lang. Der Wellenwiderstand und die. Fortpflanzungskonstante¹ wurde mit der üblichen Energieleitungsmethode gemessen, indem einmal dasi entfernte Ende offen und einmal das entfernte Ende kurzgeschlossen war. Die größte Schlitzbreite war 1,2-5, cm ^und' lag weit genug von der Bedingung der Abstimmung entfernt. Die erhaltenen Resultate waren in genügender Übereinstimmung mit den theoretischen Werten.

Die Anwendung der Erfindung bei Antennen· ist in den Abb. 6 bis 8 gezeigt. Hier ist der Leiter 71 vertikal aufgestellt und wird durch einen hohlen Metallmast 8 gehalten, welcher in Abständen durch Leiter 9 mit dem elektrischen Mittelpunkt der Leiteroberfläche 7 verbunden ist. Durch Verbindungsleitungen 10 und 11. wird dem Leiter 7 Signalstrom zugeführt aus einer Energieleitung, die innerhalb des hohlen Mastes S verläuft. Die Speisepunkte liegen, jeweils eine halbe Wellenlänge auseinander. Die Abb. 7 und 8 zeigen die Methode der Verbindung an zwei aufeinanderfolgenden Speisepunkten, und man sieht daraus, daß die Speisung an zwei solchen Punkten von entgegengesetzten Leitern der Energieleitung geschieht. Der Leiter 7 kann für jeden Speiseabschnitt aus einem besonderen Leiter bestehen, doch· kann dieser Leiter auch durchlaufen, wenn für eine genügend¹ große Phasengeschwindigkeit gesorgt ist.

Bei einem einzelnen Leiter von der Länge λ/2 kann die Speisung durch Verbindung mit den gegenüberliegenden Kanten am einen Ende geschehen, go während am entgegengesetzten Ende ein Kurz,-schluß vorgesehen ist, um die gewünschte Form der Verteilung des Flusses zu erzielen'. Bei einer anderen Aüsführungsform kann die Verbinidung mit der Speiseleitung auch in der Mitte des Leiters vorgenommen werden, während gegebenenfallis an beiden Enden Kurzschlüsse vorgesehen sind.

Es kann· auch eine andere Leiterlänge als XJ2 benutzt werden, wenn die richtige Abstimmung (des Schlitzes gewählt wird. Wie in Abb. 4 und 5 ge¹-zeigt, kann ein. zusammengesetzter Leiter dadurch gebildet werden, daß zwei sich überlappende Halbzylinder vorgesehen sind, bei denen die Abstimmung in gleicher Weise wie bei einem einfachen Schlitz vorgenommen werden kann. Es> sei noch erwähnt, daß der Querschnitt des Leiters· verschiedene Formen besitzen kann und daß ein oder mehrere Schlitze vorgesehen sein können. Bei der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform können die gegenüberliegenden Kanten nach innen umgebogen sein, so· daß· geradlinige isolierende Abstandhalter in den Schlitz eingeklemmt werden können, wodurch die ganze Anordnung eine gewisse mechanische Festigkeit erhält. In diesem Falle ist der in den Abb. 6 bis 8 gezeigte Mast 8, der zur Halterung dient, unter Umständen nicht mehr notwendig.

Um einem Antennenleiter gemäß der Erfindung über einen breiten Frequenzbereich wirksam: zu machen, ist es wünschenswert, daß der Durchmesser relativ groß ist. Bei Wellenlängen von 5 m ist ein Durchmesser zwischen 15. und 3(5 cm günstig. Bei sehr breiten Frequenzbereichen können Leiter Verwendung finden, welche größere Durchmesser als 35'cm besitzen und bei denen dann mehrere Längst schlitze vorgesehen sind. Es wurden in der Be-

8ββ

Schreibung¹ nur geradlinige Leiter erwähnt, jedoch können auch in gewissen Fällen gebogene Leiter beliebiger Form vorteilhaft sein»

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hochfrequenzleitung zur Ausstrahlung oder Fortleitung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, gekennzeichnet durch einen längs geschlitzten Metallzylinder, der durch eine koaxial umgebende Spule (4 in Abb. 1) oder durch eine an zwei verschiedene Punkte eines Querschnittumfanges angeschlossene Doppelleitung¹ (4°) derart erregt wird, daß Spannungen zwischen den Schlitzkanten auftreten und Ströme um den Umfang fließen.

2. Hochfrequenzleitung nach Abb. 1, dadurch

gekennzeichnet, daß der Schlitz durch einen Metallstreifen (6 in Abb. 2) abgedeckt ist.

3. Hochfrequenzleitung nach Abb. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite einstellbar ist (Abb. 3).

4. Hochfrequenzleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Längsschlitze vorgesehen sind (Abb. 4 und 5).

5. Hochfrequenzleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Antenne die Bemessung so getroffen ist, daß die Phasengeschwindigkeit möglichst groß ist.

6. Hochfrequenzleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Antenne der Metallzylinder an mehreren in der Längsrichtung voneinander entfernten, Stellen gespeist wird (Abb. 6, 7 und 8).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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