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Anordnung zur weitgehenden Verhinderung der Reflexion elektromagnetischer
Wellen, die auf Metallwände auftreffen Es ist bekannt, mit Hilfe von elektromagnetischen
Wellen die Anwesenheit und den Standort von Körpern mit metallischer Oberfläche
im Raum festzustellen. Diese Verfahren beruhen auf der physikalischen Tatsache,
daß eine elektromagnetische Welle, die auf eine Metallwand auftrifft, vollständig
reflektiert wird. Häufig liegt die Aufgabe vor, die Reflexion der ausgesandten elektromagnetischen
Wellen zu verhindern.
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Die Erfindung zeigt einen Weg, um die genannte Aufgabe zu lösen, und
zwar schlägt sie eine Anordnung vor, bei der mit einfachen Mitteln auf den metallischen
Oberflächen Schichten hergestellt werden können, die für einen gewissen Wellenbereich
einen verhältnismäßig kleinen Reflexionsfaktor aufweisen. Gemäß der Erfindung ist
bei einer Anordnung zur weitgehenden Verhinderung der Reflexion elektromagnetischer
Wellen, die auf Metallwände auftreffen, vor den Metallwänden im Abstand von -
je eine Halbleiterschicht angeordnet, deren Flächenwiderstände 9" N2 der Beziehung
bzw.
entsprechen, wobei 3, der Wellenwiderstand des Luftraumes, 21 der Wellenwiderstand
der dielektrischen Schichten ist und b bzw. c von dem Quotienten aus der Dielektrizitätskonstanten
der dielektrischen Schichten El und der Luft e, abgehen und zwischen 0,3
und i bzw. zwischen 1,5 und 2 liegen.
Die Schichten nach der Erfindung
bestehen im wesentlichen aus einem Isolierstoff, dessen relative Dielektrizitätskonstante
möglichst nahe bei Eins liegen soll und an dessen Verlustwinkel keine besonderen
Anforderungen gestellt R zu werden brauchen. Auf diesem Isolierstoff befinden sich
halbleitende Schichten, die vorzugsweise aus einem leitenden Lack bestehen können.
Würde man nur eine einzige Halbleiterschicht in einem Abstand von 1/4 Wellenlänge
von der Metallwand verwenden, so wäre der Frequenzbereich, in dem die Schicht nicht
reflektiert, verhältnismäßig schmal, wie nachstehend noch näher gezeigt wird. Ein
sehr viel breiterer Frequenzbereich kann durch die Verwendung von zwei Halbleiterschichten
' gemäß der Erfindung erzielt werden. Dabei liegt die innere Schicht in einem Abstand
von 1,/2 'Wellenlänge und die äußere Schicht in einem Abstand _von 3/4 Wellenlänge
von der Metallwand entfernt: Die Halbleiterschichten lassen sich am besten durch
Lacke realisieren, deren spezifischer Widerstand in einem weiten Bereich von r0-2
... z010 Ohm-cm veränderbar ist. Wie sich aus den nachfolgenden Darlegungen
noch näher ergibt, muß die Dicke der Lackschichten zoA bei einem spezifischen Widerstand
von etwa 0,5 Ohm-cm sein. Die Reflexionsfreiheit oder die Eigenschaft des
Schwarzseins für einen gewissen Frequenzintervall beruht im wesentlichen auf der
Interferenz der an der Halbleiterschicht und der Metallwand reflektierten ''Wellen.
Durch Variation der Widerstände der beiden Halbleiterschichten läßt _ sich erreichen,
daß die reflektierten Wellen sich in einem ziemlich breiten Frequenzbereich von
fast z : 6 gleichmäßig bis auf einen Rest von etwa 30 % auslöschen.
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Um die Lackschichten gegen Beschädigungen zu schützen, kann man sie
zwischen zwei dünnen Isolierplatten anordnen. Derartige Doppelplatten werden durch
Bolzen aus Isolierstoff in den obenerwähnten Abständen von der Metallwand gehalten.
Eine solche Anordnung hat ihrer Einfachheit wegen noch den Vorteil, daß die resultierende
Dielektrizitätskonstante infolge des überragenden Anteiles der Luft fast an Eins
herankommt, wodurch der Reflexionsfaktor besonders klein wird.
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Eine Änderung des Widerstandes vorgegebener Halbleiterschichten mindestens
in einem Sinne könnte übrigens dadurch erzielt werden, daß man auf die betreffenden
Schichten einen Stromstoß gibt, wodurch der Widerstand herabgesetzt würde. Um während
des Betriebes leicht einen Austausch von Absorptionsschichten vornehmen zu können,
empfiehlt es sich, derartige Schichten mit verschiedenen Widerständen etwa kulissenartig
oder aber um eine gemeinsame Achse dreh- oder schwenkbar so vor der Metallwand anzuordnen,
daß im Bedarfsfall die eine oder andere Halbleiterschicht in die Betriebslage gebracht
werden kann.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
der Figuren, von denen Fig.3 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wiedergibt,
während die übrigen Figuren und die dazugehörige Beschreibung der Erläuterung der
Erfindung dienen sollen. Fig. r zeigt zunächst die Anordnung nur einer Halbleiterschicht
S vor der Metallwand M. Die Schicht S ist auf eine dielektrische Schicht D der Dicke
l aufgebracht. Trifft auf diese Schicht S eine homogene ebene Welle, so tritt diese
durch die Schicht S hindurch, wo ein Teil ihrer Energie absorbiert wird. Ein weiterer
Teil wird reflektiert, ein dritter Teil dringt als ebene Welle in das Dielektrikum
D ein, wird an der Metallwand M total reflektiert, tritt nochmals durch die Schicht
S, wo ein weiterer Teil absorbiert wird, während der Rest als reflektierte Welle
in den Luftraum zurückstrahlt. Den gesamten Reflexionsfaktor, den diese Wand für
eine auftreffende elektromagnetische Welle hat, kann man genau so berechnen wie
in einem Kabel, in dem mehrere Leitungsstücke mit verschiedenen Wellenwiderständen
aufeinanderfolgen. Diese Analogie beruht darauf, daß die Maxwellschen Gleichungen
für den elektrischen und den magnetischen Vektor einer homogenen ebenen Welle genau
die gleiche Form haben wie die Leitungsgleichungen für die Spannung und den Strom
beim Kabel. Dabei entspricht dem Eingangswiderstand eines Kabelstückes, der bekanntlich
definiert ist als das Verhältnis von Eingangsspannung zu Eingangsstrom, der Eingangswiderstand
der Wand, der definiert ist als das Verhältnis der elektrischen zur magnetischen
Feldstärke an der Eingangsebene der Wand. Bei dieser Analogie ist von Bedeutung,
daß eine sehr dünne leitende Schicht S, in der die Wellenlänge noch groß gegen die
Schichtdicke d ist, einem dem Kabel parallel geschalteten Widerstand R entspricht,
wie man folgendermaßen zeigt. Befindet sich auf einem Medium D mit dem Eingangswiderstand
ND eine leitende Schicht S der Dicke d, so folgt aus den Maxwellschen Gleichungen
für den Eingangswiderstand NS der Wand
der 'Wellenwiderstand und
das Übertragungsmaß der Schicht S sind. Ist die Schichtdicke d klein gegen ein Viertel
der Wellenlänge A, in der Schicht S, so ist 1 ys d j < z, und daher
wird aus (z) wegen des sehr kleinen Wellenwiderstandes @s der leitenden Schicht
S
oder mit der Bezeichnung
Die Schicht S wirkt also genau so, als ob sich der Widerstand N
dem Eingangswiderstand ND der folgenden Schicht parallel legt.
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Dem Widerstand N entsprechend Gleichung kommt eine einfache physikalische
Bedeutung zu. Es ist der Längswiderstand eines quadratischen Flächenstückes der
Schicht S. Man kann also zur Berechnung des Reflexionsfaktors einer entsprechend
Fig. i gezeichneten Wand die Ersatzfigur aus der Leitungstheorie, wie sie in Fig.
2 gezeichnet ist, heranziehen. Dabei entspricht dem Wellenwiderstand des Leitungsstückes
i der Wellenwiderstand 20 der Luft
Dem Wellenwiderstand und dem Phasenmaß des Leitungsstückes 2 entsprechen der Wellenwiderstand
2l und das Phasenmaß a1 des Mediums D
Der Schicht S entspricht der Widerstand N nach Gleichung (5), und die Metallplatte
M ist durch den Kurzschluß K ersetzt.
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Auf Grund dieser Analogie läßt sich der Reflexionsfaktor r der Wand,
der ja gleich dem Reflexionsfaktor r des Leitungsstückes 2 mit dem Parallelwiderstand
_N in Fig. 2 ist, sehr einfach berechnen, und man erhält
mit den Abkürzungen
Aus den Formeln (io) und (ii) ersieht man, daß es möglich ist, den Reflexionsfaktos
r = o zu erreichen. Dazu hat man b = i und tg a1 L -#- oo, also
zu wählen. Man muß also die Schicht S so wählen, daß
wird. Solche Schichten können durch leitende Lacke hergestellt werden. Dabei sind
Schichtdicken von ioy = io-3 cm günstig. Infolgedessen muß nach Formel (i3) der
spezifische Widerstand des Lackes
betragen. Dann ist für die Resonanzfrequenz fo, für die die Schichtdecke L gerade
ein Viertel der Wellenlänge Al im Dielektrikum D wird
der Eingangswiderstand der Wand gleich 13, also der Reflexionsfaktor r =
o. Physikalisch bedeutet dies, daß infolge der Resonanz im Dielektrikum D der Eingangswiderstand
zum Dielektrikum hochohmig (theoretisch unendlich) wird und infolgedessen der Eingangswiderstand
der Wand gerade gleich dem Widerstand N der Schicht S wird. Diese ist aber entsprechend
Gleichung (i5) gleich dem Wellenwiderstand `3o des Luft.
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Für Wellenlängen, die der Resonanzwellenlänge benachbart sind, wird
der Reflexionsfaktor auch noch klein sein, um mit zunehmender Abweichung immer mehr
anzusteigen. Trägt man fürverschiedene Dielektrika den Reflexionsfaktor in Abhängigkeit
von
auf, wobei b = i, d: h. R = 2o gewählt wird (Ro ist die in Luft gemessene Wellenlänge
der Resonanzfrequenz f, und A, die in Luft gemessene Wellenlänge der Frequenz f),
so erkennt man, daß nur in einem schmalen Bereich kleine Reflexionsfaktoren auftreten.
Sollen diese z. B. nicht größer als io °/o sein, so ist dies in einem Frequenzbereich
von i ... 1,3 erreichbar. Läßt man einen Reflexionsfaktor von 30 °/o zu,
so hat man bereits einen Frequenzbereich von i ... 2,1 zur Verfügung. Dabei ist
jedoch vorausgesetzt, daß man ein Dielektrikum mit einem a-Wert dicht bei Eins verwendet.
Bei größeren s-Werten wird der Bereich beträchtlich schmaler.
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Man kann sich nun die Frage vorlegen, ob es möglich ist, durch Verzicht
auf eine völlig reflexionsfreie Frequenz den Bereich geringer Reflexion zu verbreitern.
Dies wäre etwa in der Weise anzustreben, daß man die Schicht S so bemißt, daß ihr
Widerstand N nicht genau gleich dem Wellenwiderstand 2, wird. Aus Formel (i3) folgt,
daß nur für R-Werte, die kleiner als 2o sind, eine solche Verbreiterung möglich
ist. Man kann für verschiedene Werte von
bestimmen, welche Erweiterung im Falle des Dielektrikums Luft erreicht werden kann.
Man erkennt dabei, daß
auf diese Weise keine wesentliche Verbesserung erzielt werden kann. Das gleiche
gilt für andere Dielektrika mit höheren E-Werten. Dagegen ist es möglich, auf einem
anderen Wege eine reflexionsarmeWand für einengrößerenFrequenzbereich herzustellen.
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Fig. 3 zeigt eine Wand nach der Erfindung, die aus zwei dielektrischen
Schichten Dl und Da besteht, die jeweils mit einer dünnen leitenden Haut S1 und
S, überzogen sind und deren zweite Schicht Dz durch eine Metallwand M abgeschlossen
ist. Die Material-und
Übertragungskonstanten der einzelnen Schichten
sind entsprechend Fig: 3 zu verstehen.
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Für diese Wand läßt sich der Reflexionsfaktor r nach dem für die
mitgeteilten Verfahren berechnen. Man nimmt dazu die Ersatzfigur in Fig. .¢ zu Hilfe.
Der Reflexionsfaktor r an der Wand ist dann gleich dem Reflexionsfaktor t an der
Stelle q. in dem Leitungszug von Fig. q.. Dieser berechnet sich zu
daraus ergibt sich der Betrag von r nach der Formel
worin die Abkürzungen gelten
und T1=2alh; T:2-2a212. (18) Die Konstanten a, b, c und d sind die
Widerstandsverhältnisse
J@1 und .92 sind darin die Widerstände der leitenden Schichten S1 und S2:
In den Gleichungen (17) gilt jeweils das obereVorzeichen - für die Werte P1, Q1
... und das untere Vorzeichen + für die Werte P2, Q2 ...
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Ist speziell der Phasenweg in der Schicht D2 doppelt so groß wie in
der Schicht Dl, also f2 - 2 9'1, (21) so vereinfacht sich Formel (16) zu
worin die Werte P, R, und S durch (i7a), (17c) und (17d) gegeben sind und
ist. In diesem Spezialfall ist der Reflexionsfaktor gleichNull, wenn die Schicht
Dl zur -
und damit die Schicht D2 zur
wird und wenn der Widerstand N1 der Schicht S1 gleich dem Wellenwiderstand 2, der
Luft, d. h. wenn b = i wird. Physikalisch macht man sich diese Verhältnisse wieder
am einfachsten an dem Analogon einer Leitung klar, wie sie Fig. q. zeigt. Auch hier
sei a2 12 = 2 all" , d. h. der Phasenweg der Leitung 3 sei doppelt so groß wie derjenige
der Leitung z. Bei der Resonanzfrequenz fo, bei der dann die Leitung 2 zur
und die Leitung 3 zur
wird, ist dann der Eingangswiderstand derLeitung 3 praktisch gleich Null, so daß
der Widerstand R2 kurzgeschlossen wird. Bei dieser Frequenz ist also die
2 am Ende kurzgeschlossen, so daß ihr Eingangswiderstand hochohmig wird. Dann ist
also die Leitung i mit dem Widerstand DZl abgeschlossen. Ist '3Z1 = 1., so ist dieser
Abschluß reflexionsfrei.
Auch bei dieser doppelten Schicht wird
der Reflexionsfaktor in der Nähe der Resonanzfrequenz klein sein. Wie dieser Faktor
im einzelnen verläuft, läßt sich für verschiedene --Werte des Isolierstoffes in
Abhängigkeit von bestimmen. Wählt man die Schicht S1 so,
daß ihr Widerstand N1 gleich dem Wellenwiderstand 2o der Luft ist und der Widerstand
R2 der Schicht S2 gleich dem Wellenwiderstand 31 im Dielektrikum ist, so erkennt
man, daß sich sehr kleine Reflexionsfaktoren nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich
erzielen lassen. Dagegen sind Reflexionsfaktoren unter 5o °/o in einem ziemlich
breiten Frequenzband möglich. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, durch Variation
der Widerstände N,
und N2 der leitenden Schichten S1 und S2 die stark welligen
Kurven im Mittel zu glätten und möglichst weit herabzudrücken. So kann -man z. B.
fordern, den Abszissenwerten = 0,5; 0,75 und i,o gleiche Reflexionsfaktoren zu
geben, woraus sich dann die Widerstände der Schichten 3t1 und N2 berechnen lassen.
Ein anderer Weg besteht darin, den Werten
und i,o die gleichen Reflexionsfaktoren zu geben und die Reflexionskurven für
horizontal verlaufen zu lassen. Die sich so ergebenden Kurven liegen alle dicht
beieinander, so daß wir uns auf einen Fall beschränken können. Wir wählen den letztgenannten.
Aus der Bedingung 1 r (0,5) 1 - 1 r (i,0) folgt die Beziehung
und aus der Forderung, daß im Punkt
= 0,5 die Kurve horizontal verlaufen soll, folgt c2 =i + 2 d. (25) In diesen Gleichungen
ist a nur durch die Dielektrizitätskonstante ei der Schicht Dl bestimmt
und d durch die Dielektrizitätskonstanten der Schichten Dl und Dz
Im allgemeinen ist d = i, da man e1 und E2 zweckmäßig möglichst klein und
einander gleichmacht, also denselben Isolierstoff für beide Schichten Dl und Dz
verwendet. In diesem Fall ist
und b berechnet sich aus Formel (2q.). Stellt man die Kurven, die man auf diese
Weise gewinnt, graphisch dar, so erkennt man, daß die Reflexionsfaktoren in ziemlich
großen Frequenzbereichen von i ... 5,2 annähernd konstant sind. Allerdings
kann man in diesem großen Frequenzbereich die Reflexionsfaktoren nicht beliebig
herabdrücken. Mit einer Dielektrizitätskonstanten
kommt man nicht wesentlich unter 30 °/o herunter, und bei höheren --Werten ist dieser
Faktor noch größer. Dort, wo die so erzielten Reflexionsfaktoren ausreichen, kann
man jedoch auf diese Weise mit ziemlich einfachen Mitteln eine reflexionsarme Wand
herstellen. Die Gesamtdicke der Wand ist dabei ein Viertel der größten Wellenlänge.
Wählt man als Dielektrikum Massekerne mit hoher Permeabilität,u, so läßt sich die
Schichtdicke noch um den Faktor ` herabpo setzen. Damit kommt man selbst bei Wellen
von 2 m Länge auf Wandstärken von einigen Zentimetern.