DE886769C - Brechungseinrichtung fuer elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen, die zur Brechung elektromagnetischer Wellen bestimmt sind. Insbesondere betrifft sie solche Einrichtungen, bei denen künstliche Medien mit wirksamer Permeabilität 'Verwendung finden. Ferner bezieht sie sich auf Kombinationen solcher Medien mit künstlichen dielektrischen Medien.

Die Herstellung und Verwendung von künstlichen dielektrischen Medien für elektromagnetische Wallen, ist schon früher vorgeschlagen worden. Man hat leitende Teile, z. B. metallische Kugeln oder Scheiben in dreidimensionalen Anordnungen verwendet, die analog dem molekularen Gitter eines kristallenen Dielektrikums aufgebaut waren. In solchen Anordnungen entsteht durch die elektromagnetische Welle eine elektrische Polarisation des künstlichen Dielektrikums, die in vieler Hinsicht der Polarisation in einem natürlichen dielektrischen Medium entspricht.

In der Technik sind Anordnungen von leitenden Elementen bekannt, die eine wirksame Permeabilität erzeugen. Solche Anordnungen kann man als künstliches magnetisches Medium bezeichnen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden künstliche brechende Medien verschiedener Art verwendet, um Einrichtungen herzustellen, die elektromagnetischeWellen brechen. Bei elektromagnetischen Wellen werden Kombinationen von künstlichen dielektrischen Medien mit künstlichen magnetischen Medien benutzt, um zusammengesetzte künstliche Brechungsmedien zu schaffen, bei denen Grenzflächenreflexionen stark vermindert oder im wesentlichen verhindert werden.

Insbesondere entsteht durch künstliche Permeabilität in Verbindung mit einem künstlichen Dielektrikum ein Brechungsmedium, das die gleiche Impedanz wie der freie Raum, jedoch eine geringere Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagne-

tischen Wellen aufweist. Da die Impedanz des freien Raumes und die des zusammengesetzten Brechungsmediums gleich sind, werden Obernächenrenexionen im wesentlichen vermieden.

Die erfindungsgemäße Brechungseinrichtung enthält mehrere leitende und im geeigneten Abstand voneinander gehaltene Teile in einem dielektrischen Medium, das sich innerhalb der Außenflächen der Einrichtung befindet; die Besonderheit der Einrichtung besteht darin, daß die leitenden Teile Vertiefungen besitzen und in einer dreidimensionalen Anordnung angebracht sind. Es empfiehlt sich, zusätzlich eine Mehrzahl flacher leitender, in geeignetem Abstand gehaltener und in dreidimensionaler Anordnung angebrachter Streifen vorzusehen, welche zwischen den vertieften leitenden Teilen verteilt liegen.

Weitere Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Damit ist zugleich eine Theorie der künstlichen Brechungsmedien mit Hilfe von Ersatzschaltbildern mit punktförmigen Schaltelementen abgeleitet, und zwar unter Berücksichtigung bestimmter Einrichtungen an Hohlraumwellenleitern. Die Verallgemeinerung dieser Betrachtung führt zu Anordnungen von Teilen im freien Raum. In der Zeichnung zeigt

Fig. ι eine perspektivische Ansicht eines Stückes

eines Hohlraumwellenleiters mit Sperrplatten, welche einen Schlitz senkrecht zur Richtung des elektrischen Vektors begrenzen; außerdem ist das punktförmige Ersatzkreiselement dargestellt, das • dem Schlitz entspricht, nämlich eine Kapazität;

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ausführung, jedoch liegt hier der Schlitz parallel zum elektrischen Vektor; das entsprechende punktförmige Kreiselement ist eine Parallelinduktivität;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines

Stückes eines Hohlraum Wellenleiters, der eine kanalförmige Erweiterung in einer Wand besitzt; das entsprechende punktförmige Kreiselement ist eine) Reiheninduktivität;

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stückes eines Hohlraumwellenleiters, der Sperrplatten wie im unteren Teil in Fig. 1 und außerdem mehrere kanalförmige Erweiterungen wie in Fig. 3 besitzt; das Ersatzschaltbild mit punktförmigen Kreiselementen ist ein Tiefpaßfilter;

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer plankonvexen Linse, die aus V-förmigen Teilen besteht, welche in Scheiben aus dielektrischem Material, wie Polystyrenschaum, eingebettet sind;

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Linse ähnlich Fig. 5, bei der außer den V-förmigen Teilen nach Fig. 5 Streifenteile verwandt sind;

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer doppelt konkaven Brechungseinrichtung, bei der ähnliche Wellenleiter, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, verwandt werden; bei dieser Einrichtung besteht ein solcher Schwingungszustand der Wellen, daß diese beschleunigt und nicht verzögert werden; auf diese Weise sammelt und fokussiert die. Einrichtung die hindurchgehenden Wellen;

Fig. 8 zeigt die Einrichtung der Fig. 7 im Schnitt durch eine mittlere waagerechte Ebene,

Fig. ι stellt ein Stück eines rechtwinkeligen dielektrischen Hohlraumwellenleiters dar, dessen größere Abmessung waagerecht liegt. Es ist dabei angenommen, daß die elektromagnetische Welle sich durch den Wellenleiter so fortpflanzt, daß ihr elektrischer Vektor E senkrecht steht, wie in der Figur angedeutet. Die oberen und unteren Sperrplatten 22 und 23 haben leitende Oberflächen und begrenzen einen Schlitz 24, dessen Hauptrichtung sowohl senkrecht zum Vektor E als auch zur Längsachse des Leiters ist. Ein Schlitz, der so liegt wie 24, wirkt bekanntlich in einem Wellenleiter wie eine Parallelkapazität in einer herkömmlichen Übertragungsleitung. Das punktförmige Kreiseleiment, das einer solchen Einrichtung entspricht, ist rechts in der Figur durch den Kondensator 24 in einer herkömmlichen Leitung 215 dargestellt. Eine metallische Verengung, 'bzw. Blende ist also in einem dielektrischen Hohlraumwellenleiter in vieler Hinsicht einer Parallelkapazität in einer Zweidrahtübertragungsleitung gleichwertig, wenn sie nach Fig. ι angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt eine metallische Verengung bzw. Blende, die in bezug auf den Vektor E senkrecht zu der in Fig. 1 dargestellten Blende steht. Diese An-Ordnung entspricht bekanntlich einer Parallelinduktivität in einer Zweidrahtleitung, wie im Schaltbild auf der rechten Seite der Figur angedeutet.

Fig. 3 zeigt einen kanalförmigen Hohlraum 26 in der oberen Wand eines rechtwinkeligen Wellenleiters 27. Der Kanal besitzt eine Tiefe in Richtung des elektrischen Vektors, der etwas geringer als eine Viertelwellenlänge bei der gewünschten Arbeitsfrequenz ist. Diese Anordnung entspricht bekanntlich einer Reiheninduktivität ineiner herkömmlichen Übertragungsleitung.

Fig. 4 zeigt einen rechtwinkeligen Wellenleiter 28, bei dem mehrere Hohlräume 29 ähnlich den Hohlräumen 26 in Fig. 3 und außerdem mehrere Parallelkapazitäten 30 ähnlich den Sperrplatten 23 in Fig. ι vorgesehen sind. Die Anordnung entspricht dem auf der rechten Seite der Figur gezeigten Kreis mit punktförmigen Kreiselementen. Die Reiheninduktivitäten 31 entsprechen den kanalförmigen Hohlräumen 29, und die Parallelkapazitäten 33 ent- no sprechen den Verengungen, die durch die Sperrplatten 30 gebildet werden. Die Anordnung der Fig. 4 entspricht also· einer belasteten Übertragungsleitung mit Reiheninduktivitäten und Parallelkapazitäten, d. h. einem Tiefpaßfilter. Eine solche Leitung kann ohne weiteres so ausgeführt werden, daß ihr Wellenwiderstand gleich dem Wellenwiderstand der unbelasteten Leitung ist. Sie kann daher in eine unbelastete Leitung des gleichen Aufbaus ohne wesentliche Fehlanpassung eingeschaltet werden. Jedoch kann die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen wegen der Reihen- und Parallelelemente in der belasteten Leitung wesentlich kleiner als in der unbelasteten Leitung werden.

Insbesondere kann die~ Parallelkapazität pro Längeneinheit im belasteten Stück so bemessen

werden, daß sie die Reiheninduktivität in bezug auf den Wellenwiderstand kompensiert, in bezug auf die Fortpflanzungsgeschwindigkeit jedoch nicht, entsprechend der Theorie des Kreises mit punktförmigen Konstanten. Wenn L₀ die Reiheninduktivität und C₀ die Parallelkapazität pro Längeneinheit in der unbelasteten Leitung ist, wenn ferner L₁ die zusätzliche Reiheninduktivität und C₁ die zusätzliche Parallelkapazität pro Längeneinheit im belasteten ίο Stück ist, so ist der Wellenwiderstand Z₀ der unbelasteten Leitung

⁰ ~ I/ "r ' W

während der Wellenwiderstand Z₁ des belasteten Stückes ist

-V

L₀ +L₁

Wenn L₁ und C₁ so bemessen werden, daß
L₀ L₀ + L₁

so sieht man, daß
wobei

Z₁ — Z₀,
J^L _ j~l _ 7 2

(3)
(4)
(5)

Die Gleichung (5) besagt, daß zwecks Konstanthaltung der Impedanz Z₀ trotz Zufügung der Induktion L₁ und der Kapazität C₁ die Induktivität und die Kapazität genau in dem Verhältnis der ursprünglichen Induktivität und Kapazität L₀ und C₀ zugefügt werden müssen. Diese Gleichhaltung" des Verhältnisses findet in der Gleichung (5) ihren Ausdruck.

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit für die unbelastete Leitung ist andererseits

v_n = ■

Yl₀C₀

(6)

während die Geschwindigkeit V₁ für das belastete Stück

Z)₁ = -. (7)

V(L₀ + L₁) (C_{0 +} C₁)

Beim Vergleich der Gleichungen (6) und (7) sieht man, daß bei positiven Werten von L₁ und C₁

»1 < »0.

(8)

d. h. die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im belasteten Stück ist kleiner als in der unbelasteten Leitung.

Es sei bemerkt, daß bei höheren Frequenzen andere Schwingungszustände der Wellen, die bei niedrigen Frequenzen nicht möglich sind, auftreten, und daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit bei diesen Schwingungszuständen größer sein kann als im unbelasteten Stück.

Die Feldkonfigurationen an der oberen, unteren und seitlichen Wand des Leiters 28 in Fig. 4 machen die belastete Leitung gleichwertig mit einem Brechungsmedium von unendlicher Ausdehnung, das aus einer Anordnung von kanalförmigen Hohlräumen zusammen mit einer Anordnung von Sperrstreifen besteht. Wenn die Induktivitäten und Kapazitäten nach Gleichung (3) bemessen werden, so wirkt das entstehende Medium auf elektromagnetische Wellen brechend, wobei keine Reflexionsverluste an den Grenzen zwischen dem unbelasteten und dem belasteten Medium auftreten. Mit anderen Worten, da der Wellenwiderstand des belasteten Mediums gleich dem des unbelasteten Mediums (oder des freien Raumes) ist, entstehen keine Reflexionen beim Durchgang von Wellen durch die Grenzen zwischen den beiden Medien. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten im belasteten Medium und im freien Raum sind jedoch verschieden, so daß mit Hilfe des belasteten Mediums Linsen, Prismen usw. gebaut werden können, die elektromagnetische Wellen geeigneter Wellenlänge sammeln, zerstreuen oder anderweitig brechen können, ohne daß dabei wesentliche Reflexionsverluste auftreten.

Im rechten Bild in Fig. 4 sind die Wellenwiderstände und die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der belasteten und der unbelasteten Leitung angegeben.

Fig. 5 zeigt eine dreidimensionale Anordnung aus V-förmigen Gliedern 41, die von kreisförmigen Platten 42 aus Polystyrenschaum getragen werden. Die Anordnung hat die Gestalt einer plankonvexen Linse. Diese ist einer Linse gleichwertig, die aus einem Material mit einer Permeabilität hergestellt ist, welche anders als die Permeabilität in Luft oder im freien Raum ist. Als Beispiel sei das unter dem Handelsnamen Ferroxcube bekannte Material genannt, das für elektromagnetische Wellen eine Permeabilität, die größer als 1 ist, besitzt. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen in einem permeablen Medium ergibt sich aus folgender Beziehung:

— =>^r, (9)

wobei V₀ die Geschwindigkeit der Wellen im freien Raum, V₁ die Geschwindigkeit der Wellen im permeablen Medium, μ_Γ die relative Permeabilität des Mediums und ε_Γ die relative Dielektrizitätskonstante des Mediums ist. Gleichung (9) gibt an, daß ein Medium mit einer wirksamen Permeabilität n° größer als Eins elektromagnetische Wellen verlangsamt. Daraus folgt, daß eine aus permeablem Medium hergestellte konvexe Linse solche Wellen sammelt. Eine nach Fig. 5 aufgebaute Linse wurde mit Hilfe von elektromagnetischen Mikrowellen untersucht, wobei gefunden würde, daß sie wie erwartet arbeitet. Die Platten 42 in der Anordnung nach Fig. 5 können durch jedes geeignete Mittel aneinander befestigt werden, z. B. durch Azetatkitt, Klebestreifen usw.

Fig. 6 zeigt eine andere plankonvexe Linse für elektromagnetische Wellen, die aus einem zusammengesetzten Medium besteht, daß sowohl künstliche Permeabilität als auch eine künstliche Dielektrizitätskonstante besitzt. Wie in Fig. 5, ist die Anordnung in Fig. 6 aus kreisförmigen Platten

42 aus Polystyrenschaum aufgebaut. In den PoIystyrenschaum sind jedoch V-förmige leitende Teile 41 eingebettet. Außerdem besitzt jede Scheibe auf einer ihrer flachen Oberflächen mehrere voneinander getrennte leitende Streifen 43, die dem zusammengesetzten künstlichen Medium die gewünschte Dielektrizitätskonstante verleihen. Die Platten 42 sind ungefähr in der geometrischen Gestalt einer Linse miteinander verbunden. Sie können an einer Halte- oder Rückenplatte 44 aus Polystyrenschaum befestigt werden, die ihrerseits durch eine isolierende Grundplatte 45 gehalten wird. Die V-förmigen Teile 41 ergeben die gleiche künstliche magnetische Wirkung wie in Fig. 5, wobei man die-

selbe Wirkung erhalten kann, wenn die Spitzen der V gegen die ebene Linseinfläche wie in Fig. 5 oder gegen die konvexe Fläche wie in Fig. 6 gerichtet sind.

Es hat sich ergeben, daß eine Linse nach Fig. 6

elektromagnetische Wellen in der eirwarteten Weise sammelt. Während jedes dielektrische oder magnetische Medium für sich starke Reflexionen an der Oberfläche einer entsprechenden Linse erzeugt, hat sich gezeigt, daß die in Fig. 6 dargestellte Kom-

bination mit vernachlässigbaren Reflexionen an der Oberfläche arbeitet.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eina Sammellinse mit Phasenbeschleunigung, die für bestimmte Schwingungszustände der Wellen bestimmt ist. Die Linse besteht aus einer Anordnung von Kanalgliedern 110 oder von anderen nutenförmigen Gliedern, die sich mit glatten Platten 111 abwechseln. Die Glieder 110 und die Platten 111 werden in geeigneter Weise gehalten, z.B. durch die Ringe 112 und 113. Sie

bilden ein künstliches Übertragungsmedium. Der Raum, den das Medium einnimmt, hat die Gestalt und die Oberfläche einer doppelt konkaven Linse. In Anbetracht dessen, daß die Anordnung die Wellenphasen, welche in die Linse eintreten, beschleunigt, besitzt die konkave Linse mit diesem Medium die gleichen Eigenschaften wie eine konvexe Linse mit einem Medium, in dem, die Welle verzögert wird.

Die Anordnung nach Fig. 7 und 8 ist besonders bei Wellen wirksam,, deren Schwingungszustände von höherer Ordnung sind als die einfachsten Grundwellen.

Es sei bemerkt, daß in j eder Anordnung bei den Resonanzfrequenzen stehende Wellen statt der fortschreitenden Wellen auftreten können, so daß Energieabsorption und Filterwirkung entstehen. Außerdem ist es möglich, daß bei manchen Frequenzen sich die Wellen in mehreren Schwingungszuständen fortpflanzen, entweder getrennt oder gleichzeitig. Welche Welle entsteht, hängt in manchen Fällen von der Seite ab, von der aus man sich der Resonanzfrequenz nähert, wenn die Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz verändert wird.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Brechungseinrichtung für elektromagnetische Wellen, bei der eina Oberflächenreflexion im wesentlichen vermieden wird und die mehrere leitende und im geeigneten Abstand voneinander gehaltene Teile in einem dielektrischen Medium enthält, das sich innerhalb der Außenflächen der Einrichtung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Teile Vertiefungen besitzen und in einer dreidimensionalen Anordnung angebracht sind.

2. Brechungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Mehrzahl flacher leitender, in geeignetem Abstand gehaltener und in dreidimensionaler Anordnung angebrachter Streifen vorgesehen sind, welche zwischen den vertieften leitenden Teilen verteilt liegen.

3. Brechungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Vertief ungen versehenen leitenden Teile bei einer Frequenz Resonanz aufweisen, die oberhalb der Frequenz der durch die Einrichtung zu verzögernden Welle liegt.

4. Brechungseinrichtung nach einem der An-Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Teile voneinander getrennte Hohlraumresonatoren sind, deren Kopplungsöffnungen den zu verzögernden Wellen zugekehrt sind.

5. Brechungseinrichtung nach einem der An-Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Teile kanalförmig sind und aus Metallfolie bestehen und daß das dielektrische Medium einen selbsttragenden, z. B. aus Polystyrenschaum bestehenden Kern bildet, welcher die kanalförmigen leitenden Teile trägt.

6. Brechungseinrichtung nach Anspruch 5 in Form einer Linse, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalförmigen Teile parallel zueinander und getrennt voneinander angeordnet sind, daß sie durch die Scheiben aus dielektrischem Material von verschiedenem Durchmesser getragen werden, wobei die Scheiben zusammen ungefähr die Form einer Linse bilden.

7. Brechungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere leitende Streifen in einem dielektrischen Medium parallel zueinander und getrennt voneinander angeordnet sind, wobei eine zweidimensionale Anordnung von leitenden Streifen zwischen zwei angrenzenden zweidimensionalen Anordnungen von kanalförmigen Teilen angebracht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 5322 8.53