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Anordnung zur Erzeugung von Richtdiagrammen zum Senden oder Empfangen
elekiromagnetischer Wellen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von
Richtdiagrammen zum Senden oder Empfangen elektromagnetischer Wellen, bei der die
Kombination von Drehfeldantennen untereinander und mit Dipolantennen ausgenutzt
wird. Wie weiter unten gezeigt wird, lassen sich durch derartige Kombinationen Richtwirkungen
erzielen, die mit den bisherigen Anordnungen grundsätzlich nicht erreichbar sind.
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Die bisher üblichen Anordnungen zur Erzeugung von Richtdiagrammen
beruhen sämtlich auf zweckmäßigen Kombinationen von Dipolstrahlern, die zur Erzielung
einer Maximum- oder Minimumcharakteristik mit entsprechender Phasenverschiebung
betrieben werden. Der einfachste Fall ist die Erzielung der bekannten Doppelkreischarakteristik
durch zwei gegenphasig gespeiste Strahler in einem Abstand, der klein gegen eine
halbe Wellenlänge der benutzten Frequenz ist. Wesentlich leistungsfähigere Anordnungen
erhält man durch Strahlergruppen oder -reihen, deren Gesamtausdehnung eine halbe
Wellenlänge überschreitet. Allen diesen Anordnungen ist gemeinsam, daß die in der
Charakteristik wirksamen Phasenunterschiede nur durch die verschiedenen Laufzeiten
der Einzelstrahler zum jeweiligen Aufpunkt verursacht werden.
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Gemäß der Erfindung wird nunmehr eine Anordnung zur Erzeugung von
Richtdiagrammen zum
Senden oder Empfangen vorgeschlagen, die zur
Erzielung' möglichst "scharfer, insbesondere einseitiger Nullstellen und Maxima
im Strahlungsdiagramm Kombinationen von Drehfeldstrahlern mit normalen Dipolstrahlern
oder von Drehfeldstrahlem verschiedenen Umlaufsinnes vorsieht. Das genannte Ziel
wird erreicht durch Ausnutzung der innerhalb der Hauptebene stetig mit dem räumlichen
Winkel verlaufenden Änderung des Phasenwinkels eines Drehfeldstrahlers, in den meisten
Fällen in Kombination mit den durch die bekannten Wirkungen der Laufzeitunterschiede
entstehenden Phasenänderungen.
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Der Gedanke der Erfindung wird im folgenden an einigen Beispielen
erläutert. Zunächst seien jedoch einige Begriffsbestimmungen vorausgeschickt. Als
»Dipolstrahlerec werde allgemein sowohl ein elektrischer Dipol (lineare Antenne
kleiner oder mindest nicht wesentlich größer als A/2) wie auch ein magnetischer
Dipol (Rahmen, Durchmesser ebenfalls klein gegen A/2) bezeichnet. Jeder Dipolstrahler
hat bekanntlich in einer bestimmten Ebene ein Rundstrahldiagramm; diese Ebene liegt
beim elektrischen Dipol senkrecht zur Längsausdehnung des Dipols, beim Rahmen in
der Rahmenebene selbst. Wenn im folgenden vom Rundstrahldiagramm gesprochen wird,
so ist diese Bezeichnung demnach für den elektrischen Dipol auf vertikale Polarisation,
für den magnetischen Dipol auf horizontale Polarisation zu beziehen.
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Der gleiche Strahler ergibt in einer der zur der genannten Ebene senkrechten
Ebene ein Doppelkreisdiagramm. Als Drehfelddiagramm schließlich wird in der üblichen
Weise das Diagramm bezeichnet, das aus der Kombination von zwei räumlich und phasenmäßig
um 9o° gegeneinander versetzten Dipolstrahlern entsteht; hierbei- ergibt sich bekanntlich
in der Ebene der zur Überlagerung kommenden Dipolkreischarakteristiken ein Diagramm,
dessen Amplitude für jeden räumlichen Winkel den gleichen Wert besitzt (wie beim
Rundstrahler), dessen Phasenwinkel jedoch nicht überall gleich, sondern proportional
dem räumlichen Winkel ist.
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Die folgenden Beispiele gelten unter Benutzung der jeweils zu verwendenden
Strahler für beide Arten der Polarisation..
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Allgemein gelten folgende Bezeichnungen: Für die Abb. 2 a, 3 a, q.
a, in denen die räumliche Anordnung der Strahler wiedergegeben ist, wird ein Koordinatensystem
x, y in der üblichen Orientierung zugrunde gelegt. Der räumliche Winkel a wird von
der x-Achse aus linksdrehend gezählt. Die Projektionen der Strahler in die Diagrammebene
werden mit Si, (Drehfeldstrahler), ST (Strahler mit Runddiagramm) und Sao (Strahler
mit Doppelkreisdiagramm) bezeichnet. Der Abstand der Strahler wird überall mit d
bezeichnet.
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Die Maximalamplitude des Einzelstrahlers wird überall gleich angenommen
und mit a., die resultierende Amplitude der Strahlerkombination mit a bezeichnet.
Der Phasenwinkel des resultierenden Diagramms wird cp genannt. a und 9p sind
in den Diagrammen i, 2b, 2c, 3b und q.b in den carthesischen Koordinaten in Abhängigkeit
vom Winkel (im Bogenmaß) abgetragen. Als erstes Beispiel diene eine Kombination`
eines Drehfelddiagramms mit einem Rundstrahldiagramm, wobei die Projektionen der
Strahler in der betrachteten Ebene den Abstand Null besitzen. Ferner mögen für den
Winkel a = o beide Strahler den Phasenunterschied Null besitzen. Wie sich aus dein
Vektordiagramm leicht ablesen läßt, ergibt sich für die Strahlungscharakteristik
der Kombination bei der Strahlung die Gleichung:
für den Phasenwinkel gelten dabei folgende Beziehungen
Das Amplituden- und Phasendiagramm der Anordnung ist in Abb. i dargestellt. Der
besondere Vorteil dieser Anordnung ist die Erzielung nur einer, und zwar scharfer
Nullstelle (i. Ordnung), zum Unterschied einerseits gegen einen normalen Doppelkreisstrahler
mit seinen zwei Minima, andererseits gegen die bekannte Kardioidenanordnung, die
zwar auch nur eine, jedoch sehr breite Nullstelle (2. Ordnung) besitzt. Die Anordnung
besitzt ferner im Unterschied zu den Anordnungen der im folgenden beschriebenen
Beispiele ohne weiteres einen ausgesprochenen Breitbandcharakter.
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Das zweite Beispiel behandelt wiederum eine Kombination eines Drehfelddiagramms
mit einem Rundstrahldiagramm, wobei die Projektionen der Strahler S.,. und 5,,.
jedoch in der y-Richtung einen gewissen 'Abstand d besitzen mögen (Abb. 2 a). Hierbei
ist eine getrennte Betrachtung erforderlich, je 'nachdem ob der Drehfeldstrahler
einen links- oder einen rechtsstehenden Phasenwinkel besitzt.
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Nimmt man in der Nullrichtung wieder die Phasendifferenz Null zwischen
Rundstrahler und Drehfeldstrahler an, so ergibt sich a) für linksdrehende Phasenwinkel:
b.) für rechtsdrehende Phasenwinkel:
Für den Phasenwinkel 99 gelten dabei die Beziehungen:
Die entsprechenden Amplituden- und Phasendiagramme (für d = A,2/2)
sind in den Abb. 2b und 2c dargestellt.
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Die besondere Bedeutung eines Diagramms nach Abb. 2b liegt in der
scharfen, nur einmal auftretenden Nullstelle (erheblich schärfer als bei einer üblichen
Gruppe mit gleichem Strahlerabstand),wobei zugleich außerhalb eines schmalen Winkelbereiches
eine fast konstante Amplitude vorhanden ist. Ein derartiges Diagramm ist zum Beispiel
sehr erwünscht in allen Fällen, wo mit einer Antenne zugleich Beobachtung annähernd
des gesamten Umkreises und Vornahme einer scharfen einseitigen Peilung vorgenommen
werden soll.
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Mit einer Anordnung entsprechend dem Diagramm der Abb. 2 c ergibt
sich ein wesentlich schärferes Maximum in der Hauptrichtung als bei der üblichen
Anordnung zweier gleichphasiger Strahler, was für bestimmte Fälle der Maximumpeilung
von Bedeutung ist.
Dabei gelten die Gleichungen mit -f- a für den rechtsdrehenden, mit - a für den
linksdrehenden Verlauf. Das Amplituden- und Phasendiagramm ist in Abb. 3b dargestellt.
Dabei ist linksdrehender Verlauf, d = 2/4 und p. = jc/2 angenommen. Es ergibt sich
eine Nullstelle erster Ordnung für den Winkel a = o.
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Außer den in den bisherigen Beispielen beschriebenen Anordnungen,
die sämtlich in Kombinationen von Drehfeldstrahlern mit Dipolstrahlern bestehen;
lassen sich vorteilhaft auch Kombinationen von Drehfeldstrahlern untereinander mit
verschiedenem Umlaufsinn des Phasenwinkels benutzen. (Für Gruppen aus Drehfeldstrahlern
mit gleichem Umlaufsinn gelten die von Rundstrahlergruppen her bekannten Amplitudendiagramme.
) Die einfachste Anordnung dieser Art ist eine Gruppe aus zwei Drehfeldstrahlern
Si, und Sdr1 in der y-Achse, die untereinander den Abstand d haben (Abb. 4a). Für
den Winkel a = o sei die Phasendifferenz = n. Dann ergibt sich folgende Gleichung:
Auch hier ist die Seitenbestimmung durch die Einseitigkeit des Diagramms ohne weiteres
gegeben.
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Wird in den beiden eben genannten Beispielen statt des Rundstrahldiagramms
ein Doppelkreisdiagramm benutzt, so erhält man Kombinationsdiagramme mit ähnlichen
Eigenschaften, jedoch mit dem Unterschied, daß die Diagramme (wegen des Phasensprunges
im Doppelkreisdiagramm) symmetrisch zur Richtung der Verbindungslinie der Strahler
verlaufen.
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Es lassen sich jedoch auch Kombinationen von Drehfeld- und Doppelkreisdiagrammen
angeben, die nur eine Symmetrielinie besitzen. Als Beispiel dafür dient eine Reihenanordnung
von Strahlern nach Abb. 3a. Die beiden Strahler Si, und Sao sind längs der x-Achse
angeordnet; sie besitzen untereinander den Abstand d. Die Phasendifferenz der Strahler
untereinander haben für a 4 o den Wert cp.
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Dann ergeben sich für das resultierende Amplituden- und Phasendiagramm
folgende Gleichungen: Für den Abstand d = Q1/2 ist das Amplituden- und Phasendiagramm
in Abb. q.b dargestellt. (Es ist hierbei nicht, wie an allen früheren Beispielen,
der Abstand d = A/2 angenommen worden, da sich hierbei vier Nullstellen im Diagramm
ergeben würden; ein derartiges Diagramm besitzt keine solche praktische Bedeutung
wie ein Diagramm mit zwei Nullstellen.) Die aus dem Amplitudendiagramm nach Abb.
q.b ersichtliche große Flankensteilheit der Nullstelle ist die höchste, die überhaupt
mit einer Anordnung aus zwei Strahlern erreicht werden kann. Um den Winkel ur gegen
diese Nullstelle verschoben enthält das Diagramm noch eine zweite, sehr breite Nullstelle.
Der Unterschied in den beiden Nullstellen ist so groß, daß auch hier die erwünschte
Eindeutigkeit der Seitenbestimmung ohne weiteres gegeben ist.
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Mit den obigen Beispielen sind einige prinzipiell besonders wichtige
Anwendungsmöglichkeiten der vorgeschlagenen Anordnung beschrieben, jedoch ist die
Anordnung nicht hierauf beschränkt. Insbesondere lassen sich durch Einstellung anderer
Amplituden-und Phasenverhältnisse zahlreiche andere Diagrammformen erzielen. Ferner
ist es möglich, mit Gruppen von mehr als zwei Strahlern zu arbeiten, insbesondere
auch Kombinationen höherer Ordnung unter Benutzung der genannten Elementarkombinationen
(aus jeweils zwei Strahlern) vorzunehmen und hierdurch die verschiedenartigsten
Diagramme zu erzeugen.
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Die konstruktive Ausführung kann unter Benutzung der verschiedenen
bekannten Strahlertypen vorgenommen werden. Insbesondere braucht die verwendete
Dipolcharakteristik nicht durch elementare elektrische oder magnetische Dipolstrahler
erzeugt zu werden, sondern das erwünschte Diagramm
kann auch durch
zwei gegenphasig gespeiste Strahler erhalten werden.
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Wie bei jeder bekannten Strahlerkombination kann auch bei dieser Anordnung
durch Änderung der Phasenbeziehungen eine elektrische Diagrammverformung vorgenommen
werden. So ergibt sich z. B. bei dem im ersten Beispiel (Abb. i) beschriebenen Fall
bei der Änderung in der Phasenverschiebung des Rundstrahlers gegenüber dem Drehfeldstrahler
eine genau gleiche Änderung der räumlichen Winkellage der Nullstelle.
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Es ist ferner in gewissen Fällen möglich, für die Erzeugung verschiedenartiger
zur Überlagerung kommender Diagramme das gleiche Strahlersystem zu benutzen. So
läßt sich z. B. ein Drehfeldstrahler für vertikale Polarisation, der aus zwei um
go° räumlich und phasenmäßig gegeneinander verschobenen Einzelstrahlern aufgebaut
ist, außerdem gleichphasig derart speisen, daß ein Rundstrahldiagramm Überlagert
wird.