DE974374C - Als rechteckiger oder quadratischer Flaechenstrahler ausgebildeter ebener Umlenkspiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen als rechteckigen oder quadratischen Flächenstrahler ausgebildeten ebenen Umlenkspiegel für sehr kurze elektromagnetische Wellen.

Bei Richtfunkstrecken ist es erwünscht, die Nebenmaxima im Strahlungsdiagramm des verwendeten Flächenstrahlers wenigstens in einer Ebene möglichst gering zu halten, da sonst störende Rückwirkungen zwischen einzelnen Stationen auftreten können.

Bei aktiven Strahlern ist es bekannt, die Nebenmaxima durch eine zum Rand hin abnehmende Belegung zu verringern. Bei Umlenkspiegeln hingegen ist die Ausleuchtung stets durch die Anordnung von aktivem Strahler und Umlenkspiegel vorgegeben — bei großer Entfernung zwischen aktivem Strahler und Umlenkspiegel ist sie praktisch homogen —, so daß eine Beeinflussung der Belegungsfunktion nicht möglich ist. Bei sehr kleinem Abstand zwischen aktivem Strahler und Umlenkspiegel ist die Ausleuchtung durch die Kugel-* welle gegeben, die aber bei den in der Praxis vorkommenden Abständen zwischen aktivem Strahler und Umlenkspiegel meist nur eine geringe und vor allem nicht optimal einstellbare Abnahme der Belegung nach dem Rand hin verursacht.

Man könnte zwar bei einem Umlenkspiegel sich eine in beliebiger Form zum Rand hin abnehmende Belegung dadurch erzwingen, daß man den Spiegel zum Rand hin zunehmend mit dämpfendem Ma-

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terial belegt. Hierdurch würden zwar ebenfalls die Nebenmaxima verkleinert werden, aber der Flächenwirkungsgrad würde dabei sehr stark abnehmen.

Zur Erzielung besonders geringer Nebenmaxima wird gemäß der Erfindung ein als rechteckiger oder quadratischer Flächenstrahler ausgebildeter ebener Umlenkspiegel für sehr kurze elektromagnetische Wellen derart aufgestellt, daß eine seiner Diagonalen wenigstens annähernd mit einer Ebene zusammenfällt, in welcher ein Strahlungsdiagramm mit stark unterdrückten Nebenzipfeln erwünscht ist. Durch die erfindungsgemäße Aufstellung des Spiegels erzielt man in dieser Ebene kleinere Nebenmaxima, ohne daß der Flächenwirkungsgrad verschlechtert wird, als bei Aufstellung des Spiegels mit einer Seitenkante parallel zu dieser Ebene.

Es ist bekannt (Akustische Zeitschrift, Band 6, 1941, S. 90 ff.), daß die Wirkungsweise von Strahler-

ao flächen auf die von Strahlerstrecken zurückgeführt werden kann und daß mit einer Strahlerstrecke mit einer rhombischen Amplitudenverteilung kleinere Nebenmaxima erzielt werden können als bei gleichmäßiger Amplitudenverteilung. Dort wird jedoch festgestellt, daß es technisch kaum möglich ist, eine kontinuierliche Strahleranordnung herzustellen, deren Amplitude nach den dort für die Unterdrückung der Nebenmaxima angegebenen mathematischen Bedingungen stetig nach den Enden zu abnimmt. Daher wird dort vorgeschlagen, mit stufenförmig abnehmender Amplitude einer Strahlerstrecke die kontinuierliche Verteilung an-

. ( π·α . „ ^N

sm I —;—smir · cos<p

χψ,ψ) = LJ

π- α . ₀ sin».

sin#· cos φ

wobei φ und & die Polarkoordinaten eines auf der Kugelschale K gelegenen Punktes P sind, deren zugehöriger Mittelpunkt M in der strahlenden Fläche F liegt. Da das Strahlungsdiagramm im Fernfeld betrachtet wird, kann man die strahlende Fläche dabei stets als diesen Mittelpunkt M auffassen, von dem die Strahlung auszugehen scheint. Betrachtet man in Abb. 1 die einzelnen Nebenmaxima, so erkennt man, daß in der die Kugelschale senkrecht schneidenden Ebene φ = ο das Strahlungsdiagramm sich auf die Form vereinfacht:

. I π-α . sm I—_;—sin#

also die Form

wobei

π·α .

SHlP₀

π- α ν = —-— sinw · cos^ .

Man erhält so die beiden ersten Nebenmaxima in zunähern. Dagegen ist bei einem Umlenkspiegel die für eine rhombische Belegung der äquivalenten Strahlerstrecke geforderte kontinuierliche Verteilung genau zu realisieren, weil bei einem Umlenkspiegel im Fernfeld die Belegung der äquivalenten Strahlerstrecke allein durch seine Form gegeben ist. Dieser Gedanke aber und darüber hinaus die erfindungsgemäße Orientierung des Spiegels wird nicht erwähnt.

Es ist ferner eine Dipolwand (deutsche Patentschrift 694 673) bekannt, die um ihre als Achse gedachte Hauptstrahlrichtung derart gedreht aufgestellt ist, daß in der Horizontalebene keine merklichen Seitenstrahlungen auftreten. Hierbei ist ein nebenmaximafreier Sektor im Strahlungsdiagramm vorausgesetzt, der bei dem Strahlungsdiagramm eines Umlenkspiegels nicht vorhanden ist. Darüber hinaus ist es nachteilig, daß mit der Drehung der Dipolwand sich die Polarisationsrichtung ebenfalls dreht.

Nachstehend wird der Erfmdungsgedanke näher erklärt. Abb. 1 zeigt einen Rechteckflächenstrahier F, dessen schematische Strahlungsverteilung in einer Kugelschale K, die ihn im Fernfeld umgibt, in Form der einzelnen Strahlungsmaxima eingetragen ist. Die Verteilung der einzelnen Strahlungsmaxima ist dabei durch ihre Lage auf der Kugelfläche K und die Größe etwa durch den Durchmesser der einzelnen Kreise angedeutet.

Das Strahlungsdiagramm einer homogen, mit der Erregerstrahlung belegten rechteckförmigen strahlenden FlächeF mit den Seiten α und b lautet:

π-

smt/ ·

π· b

(ι)

sin# · sin φ

dieser Ebene, die mit N₁ und N₁' bezeichnet sind, zu je 13,26 db, bezogen auf den Wert der Hauptkeule / in der Kugelschale K.

Ferner ergibt sich für eine senkrecht auf der Kugelfläche stehende Ebene φ = 90⁰ für das Strahlungsdiagramm die vereinfachte Form

sm

90"

π· b .

π-b
—;—sin·!?

(3)

also die Form

wobei

: 90° —

90

w,

90

π-b . . . w = —-.— smti · s

Die beiden ersten Nebenmaxima in dieser Ebene φ = 90⁰, mit IV₂ und N₂' bezeichnet, weisen deshalb ebenfalls einen Wert von je 13,26 db, be-

zogen auf den Wert der Hauptkeule / in der Kugelschale K, auf. Für irgendeine Zwischenebene, beispielsweise eine durch den Punkt P gehende, besitzt demnach das Strahlungsdiagramm die Form

sin ν saxw ν w

(4)

ist also das Produkt entsprechender Werte in den Strahlungsdiagrammen der Ebenen φ = o° und φ — 90°. So ergibt sich ein bestimmter Diagrammwert unter einem Abstrahlwinkel ^₁ in einer Ebene φ = 9P₁ als Produkt von

n-b

A₂ und W₉₀ = —τ—

π· α

sm ir₂

sm

wobei ?9₂ und &₃ durch

sin #₂ = sin ^₁ cos φ_χ
und sin #₃ = sin ^₁ sin φ_χ

bestimmt sind.

In Abb. 2 ist die Projektion der einzelnen Nebenmaxima von der Kugelfläche für einen homogen belegten Flächenstrahler auf die x, jr-Ebene dargestellt. Die lange Seite α des Flächenstrahlers verläuft dabei parallel zur Koordinate χ und die kurze Seite b des Flächenstrahlers parallel der Koordinate y. Das Seitenverhältnis a: b wurde zu 3:2 gewählt. Die Nebenmaxima sind durch Kreise angedeutet, aus deren Durchmesser etwa auf die Größe des Nebenmaximums geschlossen werden kann. Aus der Abbildung ist ferner zu entnehmen, daß die Nebenmaxima in Richtung der Koordinate χ näher beisammen liegen als in Richtung der Koordinate y.

Mit D₁ ist die Diagonale des Strahlungsdiagramms und mit D₂ die Diagonale des Flächenstrahlers bezeichnet. Z₁ und Z₂ sind zwei Zwischenebenen, die durch die Nebenmaxima mit einem Wert von 30,96 db gelegt sind.

Die Nebenmaxima in den Diagonalebenen D₁ des Diagramms liegen da, wo bei den entsprechenden x- und $-Werten (in den beiden, ausgezeichneten Ebenen φ = o° und ψ = go°) die Nebenmaxima auftreten. Aus Gleichung (4) erkennt man dann, daß die Größe der Nebenmaxima in den Diagonalebenen durch Produktbildung der Werte der entsprechenden Nebenmaxima in den beiden ausgezeichneten Ebenen ψ = o° und φ = 90⁰ zu ermitteln sind.

Das erste Nebenmaximum in der mit D₁ bezeichneten Diagonalebene hat also einen Wert von 13,26+13,26 = 26,52 db, für das nächste Nebenmaximum in der Diagonalebene D_x ergibt sich ein Wert von 35,4 db.

Abb. 3 zeigt die Strahlungsverteilung eines homogen ausgeleuchteten quadratischen Flächenstrahlers (Umlenkspiegel) in der Ebene φ=^ο° bzw. φ=ο° (Kurveο) und in der Diagonalebene (Kurvet). Hierbei tritt die unterschiedliche Größe der Nebenmaxima in den einzelnen Ebenen besonders deutlich hervor.

In den Ebenen Z₁ und Z₂, in denen in der Skizze markierte Nebenmaxima von 30,96 db auftreten, werden die ersten Nebenmaxima des räumlichen Diagramms (von 13,26 db) nur angeschnitten und sind daher kleiner (äs 28 db) als die ersten Nebenmaxima in den zu den Seitenkanten α und b parallelen Ebenen. In beliebigen Zwischenebenen können die Nebenmaxima in der Nähe der Hauptkeule sogar noch geringer als in der Diagonalebene D₁ sein. Weit ab von der Hauptkeule sind sie dann aber wieder größer. Die günstigste Einstellung eines rechteckigen bzw. quadratischen Flächenstrahlers hängt damit von den speziellen Forderungen des jeweiligen Einzelfalles ab. Von dieser günstigsten Einstellung eines Umlenkspiegels wird man aber in der Praxis wegen des im Vergleich zu dem erzielten Vorteil großen Aufwandes kaum Gebrauch machen. Für die allgemeine Gestaltung von passiven Relaisstellen, bei denen die Aufstellung des Umlenkspiegels nicht den örtlich und meist auch zeitlich unterschiedlichen Bedingungen angepaßt werden kann, haben diese Feinheiten daher wenig Bedeutung.

Bei quadratischen Aperturen fällt die Diagonale D₁ des Strahlungsdiagramms mit der DiagonaleD₂ des Flächenstrahlers zusammen. Bei rechteckigen Aperturen liegen die durch die Diagonalen D₁ und D₂ gehenden Ebenen um so weiter auseinander, je mehr sich die Seiten des Rechtecks unterscheiden, go Bei den in der Praxis verwendeten Umlenkspiegeln mit nur geringen Unterschieden der Seiten α und b unterscheidet sich daher die Richtung der Diagonale D₂ nicht stark von der der Diagonalen D₁ und noch weniger von der Richtung Z₂. Es werden da- 0,5 her in der Ebene D₂ ebenfalls bedeutend geringere Nebenmaxima als in den zu den Seitenkanten parallelen Ebenen auftreten, und man wird eine Verbesserung erreichen, wenn man allgemein den Umlenkspiegel so aufstellt, daß seine Diagonale mit der Ebene zusammenfällt, in der besonders geringe Nebenmaxima erwünscht sind.

Für den in Abb. 2 dargestellten Flächenstrahler mit einem Seitenverhältnis von 3:2 ergeben sich in Richtung der Diagonale D₂ des Flächenstrahlers ein erstes Nebenmaximum von etwa 20 db und ein zweites von etwa 38, d. h., gegenüber einer Ebene parallel zur Kante a, die ein erstes Nebenmaximum von 13,26 db und ein zweites von 17,7 db hat, erhält man allein durch die erfindungsgemäße Aufstellung eine Verbesserung von etwa 20—13,26 = 6,74 db für das erste und von etwa 38—17,7 = 20,3 db für das zweite Nebenmaximum, wobei noch als weiterer Vorteil hinzukommt, daß die Winkelabstände der Nebenmaxima von der Hauptkeule größer sind.

Ähnliche Gesetzmäßigkeiten für die Nebenmaxima gelten auch für andere Belegungsarten des Flächenstrahlers, z. B. bei einer durch eine Kugelwelle verursachten, nach dem Rand hin abnehmenden Belegung, wie sie bei kleinem Abstand zwischen Umlenkspiegel und aktivem Strahler auftritt.

Abb. 4 zeigt zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Umlenkspiegels. Die mit D₂ bezeichnete Diagonale fällt mit der Ebene E zu-

sammen, in welcher ein Strahlungsdiagramm mit stark unterdrückten Nebenzipfeln erwünscht ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Als rechteckiger oder quadratischer Flächenstrahler ausgebildeter ebener Umlenkspiegel für sehr kurze elektromagnetische Wellen, gekenn zeichnet durch eine solche Aufstellung, daß eine seiner Diagonalen wenigstens annähernd mit einer Ebene zusammenfällt, in welcher ein Strahlungsdiagramm mit stark unterdrückten Nebenzipfeln erwünscht ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 694 673;

   Akustische Zeitschrift, Bd. 6, 1941, S. 90 bis 108;

   S. Silver, Microwave Antenna Theory and Design, New York, 1949, S. 169 bis 187, 192 bis 196, 436, 451 bis 456;

   S ten ζ el, Leitfaden zur Berechnung von Schallvorgängen, 1939, S. 19/20;

   Hochfrequenztechnik und Elektroakustik, Bd. 47, 1936, S. 14 bis 21;

   Ph. Lenard, Deutsche Physik, Bd. 3, 1943, S. 30 bis 32.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 550/313 7.56 (009 654/1 12. 60)