DE976164C

DE976164C - Einrichtung zur UEbertragung axialsymmetrischer elektromagnetischer Oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE976164C
Application number: DEG5506A
Authority: DE
Inventors: Georg Johann Ernst Dr Goubau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-03-21
Filing date: 1951-03-22
Publication date: 1963-04-11
Also published as: FR1113753A; US2685068A; GB718597A; NL89862C; BE554252A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 11. APRIL 1963

G 5506 IXd/2i a⁴

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, deren Anwendungsbereich hauptsächlich im Gebiete der Meter-, Dezimeter- und Zentimeterwellen liegt. Die Übertragung soll dabei entlang eines langgestreckten metallischen Leiters, wie z. B. eines Drahtes, längs dessen äußerer Oberfläche erfolgen. Da die Energie durch Oberflächenwellen fortgeleitet wird, ist es gerechtfertigt, diese Leitung als »Oberflächenwellenleitung« zu bezeichnen.

Die »Oberflächenwellen« sollen von den bekannten Wellen, die auf Langdrahtantennen auftreten, unterschieden werden. Letztere sind ausführlich in der Literatur besprochen. Bei ihnen handelt es sich um keine ebenen Wellen, und sie würden auch nicht zu ebenen Wellen werden, wenn die Antenne unendlich lang wäre. Das Feld solcher Wellen dehnt sich, von der Speisestelle der Antenne ausgehend, mehr und mehr aus, während es längs der Antenne fortschreitet. Ein solches Feld ist in Wirklichkeit ein Strahlungsfeld und hat lediglich in der Umgebung des Leiters den Charakter einer geführten Welle. Wenn man diese Art von Feld als einen »Wellentyp« anspricht, obwohl es sich in Wirklichkeit um ein Integral von unendlich vielen Wellentypen handelt, so kann man ihn einen »strahlenden« Typ nennen. Die »Oberflächenwellen«, zu deren Übertragung sich der Gegenstand der Erfindung eignet, sollen daher im Gegensatz dazu als »nichtstrahlende Wellentypen« bezeichnet werden.

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Im Jahre 1899 veröffentlichte A. Sommerfeld eine theoretische Arbeit (Annalen der Physik und Chemie, Neue Folge, Bd. 67, S. 233 bis 290) über die Wellenausbreitung längs eines unendlich langen zylindrischen Drahtes von endlicher Leitfähigkeit. Obwohl die Dämpfung solcher Wellen theoretisch viel kleiner ist als die der Wellen in konzentrischen Leitungen, scheinen die von Sommerfeld untersuchten Wellen wenig Beachtung, weder in der Literatur noch hinsichtlich einer praktischen Verwertung, gefunden zu haben.

Die Arbeiten von Sommerfeld wurden von Harms (Annalen der Physik, Bd. 23, 1907, S. 44 bis 60) und von Weiss (Dissertation, Würzburg, 1909) fortgesetzt. Hierbei wurde untersucht, welche Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektrische Wellen auf mit einer dielektrischen Schicht versehenen, langgestreckten metallischen Leitern aufweisen.

Zenneck (Annalen der Physik, Bd. 23, 1907, S. 846 bis 866) erörterte eine Oberflächenwelle, die von einer ebenen Trennfläche eines nichtleitenden und eines leitenden Mediums geführt wird. Diese Welle unterscheidet sich von Sommerfelds Wellen lediglich darin, daß bei letzterer die Trennfläche zylindrisch ist. Bisher wurde jedoch noch keine überzeugende Antwort auf die Frage gegeben, ob die Zenneck-Welle tatsächlich existiert, obwohl in der Literatur viel darüber diskutiert wurde.
Beide, sowohl Sommerfelds als auch Zennecks Oberflächenwellen sind mögliche Lösungen der Maxwellschen Gleichungen, die den gegebenen Randbedingungen genügen. Jedoch die Lösungen sind spezielle, insofern sie sich auf ebene elektromagnetische Wellen beziehen. Solche Wellen können Teil einer asymptotischen Lösung eines Feldes sein, das von einer unendlich fernen Energiequelle herrührt. In diesem Fall würde nur ein unendlich kleiner Anteil der gesamten Energie in eine Oberflächenwelle umgewandelt sein. Diese Erwägungen mögen der Grund dafür gewesen sein, daß weder Sommerfelds noch Zennecks Oberflächenwellen praktische Verwendung gefunden haben, da das Problem der Bereitstellung einer Energiequelle, die eine dieser beiden Wellentypen erzeugen könnte, als praktisch unmöglich erschien.

Durch die Erfindung ist die im vorstehenden angedeutete Problematik erstmalig einer Lösung zugeführt worden. Unter Verwendung einer Energiequelle von handlichen Abmessungen können Oberflächenwellen von ähnlichem Charakter, wie sie von Sommerfeld diskutiert wurden, mit hohem Wirkungsgrad angeregt und fortgeleitet werden. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Übertragung axialsymmetrischer elektromagnetischer Oberflächenwellen einer Frequenz von etwa 50 MHz aufwärts entlang eines einzelnen langgestreckten metallischen Leiters mit einer durch entsprechende Ausbildung der Leitoberfläche verminderten Phasengeschwindigkeit. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen wenigstens an einem Ende des Leiters vorgesehenen, zur Ein- bzw. Auskopplung dienenden Richtkörper, bei dem der Außenleiter einer koaxialen Anschlußleitung im Zusammenwirken mit dem Innenleiter und einem gegebenenfalls zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter vorgesehenen zusätzlichen Dielektrikum unter stetiger Ausdehnung des Wellenfeldes derart ausläuft, daß der in der Koaxialleitung vorhandene Wellentyp in einen für die Übertragung über den metallischen Leiter geeigneten, im wesentlichen axial gerichteten und axialsymmetrischen Oberflächenwellentyp transformiert wird, bzw. umgekehrt. Durch die Konzentrierung des Feldes auf die Umgebung des Leiters werden die Abmessungen der für die Erzeugung und den Empfang der Oberflächenwellen erforderlichen Mittel verhältnismäßig klein, so daß eine praktische Verwertung der Oberflächenwelle ermöglicht wird. Eine Verringerung der radialen Ausdehnung des Feldes wird zweckmäßig in an sich bekannter Weise durch geeignete Modifizierung oder Behandlung der Leiteroberfläche bewerkstelligt. Bei einer Einrichtung zur Ein- oder Auskopplung der elektromagnetischen Wellen für die im vorstehenden beschriebene An-Ordnung kann erfindungsgemäß die Energie mittels eines elektromagnetischen Horns dem Leiter zugeführt bzw. vom Leiter abgeführt werden.

Die im vorstehenden wiedergegebenen hauptsächlichen Merkmale der Erfindung werden somit auch durch diejenigen Einrichtungen zur Übertragung elektromagnetischer Wellen nicht berührt, die Chandler beschrieben hat (Journal of Applied Physics, 1948, S. 1188 bis 1192). Daraus läßt sich die Benutzung eines Richtkörpers zur Ankopplung einer koaxialen Anschlußleitung an einen Drahtwellenleiter nicht entnehmen, sondern die Verbindung eines Hohlrohrleiters mit einem Drahtwellenleiter, der nicht metallisch, sondern dielektrisch ist. Trotz äußerlicher Ähnlichkeit unterscheidet er sich somit in zweierlei Hinsicht von dem bei der Erfindung Verwendung findenden Richtkörper.

Die Ausbildung der Oberfläche der bei der Erfindung verwendeten Leitungen derart, daß sie zur Übertragung von Mikrowellenenergie in Form von Oberflächenwellen besonders geeignet sind, war durch eine neuere Veröffentlichung (Prcc. I. R. E., 1950, S. 206) an sich ebenfalls bekannt. Die den GegenstanddervorliegendenErfindungbildendeAusbildung der hierbei zur Ein- und Auskopplung dienenden Richtkörper war dieser vom Erfinder herrührenden Mitteilung jedoch nicht zu entnehmen.

Aus der nachstehenden Beschreibung lassen sich in Verbindung mit den Zeichnungen weitere Merkmale der Erfindung entnehmen. Darin sind nämlich verschiedene Ausführungsbeispiele dafür dargestellt.

Fig. ι zeigt einen teilweisen Längsschnitt einer Ausführungsform, bei der ein Trichter verwendet ist und eine leitende Verbindung zwischen dem Oberflächenwellenleiter und dem Innenleiter einer konzentrischen Leitung besteht;

Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Schnitt wie Fig. 1, j edoch ist hier ein verschiebbarer Kontakt zwischen dem Oberflächenwellenleiter und dem Innenleiter einer konzentrischen Leitung vorhanden;

Fig. 3 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung, bei der eine Antennenanordnung an das Ende der neuartigen Übertragungsvorrichtung angeschlossen ist;

Fig. 4 gibt eine Aus füh rungs form eines Oberflächenwellenleiters wieder, bei welchem ein langgestreckter Leiter mit einem Gewinde auf seiner Oberfläche versehen ist, um die Phasengeschwindigkeit der übertragenen Wellen zu verringern;

ίο Fig. S zeigt eine andere Ausführungsform der Leitung, wobei der Leiter mit Rillen versehen ist, gleichfalls um die Phasengeschwindigkeit zu verringern ;

Fig. 6 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, wobei eine kapazitive Kopplung zwischen dem Innenleiter der koaxialen Leitung und der Oberflächenwellenleitung vorgesehen ist, so daß der Oberflächenwellenleiter gegenüber dem Trichter verschoben werden kann;

ao Fig. 7 läßt eine Form eines direkten Überganges von einer koaxialen Leitung zu der Oberflächenwellenleitung erkennen, wobei ein aus Segmenten bestehender Trichter verwendet ist;

Fig. 8 und 9 zeigen eine andere Form der direkten Kopplung zwischen einer konzentrischen Leitung und einer Oberflächenwellenleitung, wobei kein Trichter vorhanden ist;

Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht und Fig. 11 ein Längsschnitt einer Kopplung von einer Oberflächenwellenleitung zu einem Hohlleiter über eine koaxiale Leitung;

Fig. 12 zeigt schematisch, wie die Abstrahlung von einem Trichter und die Ausbildung ebener elektromagnetischer Wellen auf dem Oberflächenwellenleiter vor sich geht.

Nach Fig. 1 wird die Signalenergie mittels eines üblichen Hohlleiters 11 zugeführt, an den eine koaxiale Leitung 12 angekoppelt ist. In der betrachteten Abbildung hat der Hohlleiter rechteckigen Querschnitt, und die Kopplung mit der koaxialen Leitung ist dadurch hergestellt, daß das zu einer Schleife gebogene Ende des Innenleiters der koaxialen Leitung mit dem Hohlleiter verbunden ist. Diese Art der Kopplung, die allgemein bekannt ist und z. B. in dem Buch »Fields and Waves in Modem Radio« von Rame und Whinnery, S. 366, Fig. 9.11 c, abgebildet ist, soll nur zur Illustration dienen, ohne irgendwelche Absicht, die vorliegende Erfindung hierauf beschränken zu wollen.

Der Innenleiter 13 der koaxialen Leitung reicht durch eine öffnung in das rohrförmige Ende eines elektromagnetischen Horns 18 hinein und ist an seinem anderen Ende mit dem Leiter 15 verbunden, der den Oberflächenwellenleiter darstellt. Die Verbindung 17 mag verlötet oder durch eine geeignete Klemmvorrichtung bewerkstelligt sein.

Der Außenleiter 14 der koaxialen Leitung ist mit dem rohrförmigen Teil des elektromagnetischen Horns 18 verbunden. Ein hinter der Verbindung 17 angebrachter Viertelwellenlängenresonator schafft die Möglichkeit, den Leiter 15 bis zum hinteren Ende des Horns fortzusetzen. Bei 19 ist eine geeignete Lot- oder Klemmverbindung zwischen Leiter 15 und dem Horn vorgesehen, wodurch die Position des Leiters 15 in bezug auf das Horn festgelegt wird.

Innerhalb des Horns kann der Oberflächen- · wellenleiter 15 ganz oder teilweise blank sein, um die Herstellung der leitenden Verbindungen 17 und 19 zu erleichtern. Das Horn selbst begrenzt das Feld nach außen hin, und somit ist keine Modifizierung der Oberfläche des Leiters 15 innerhalb des Horns nötig, um das Feld zu konzentrieren. Außerhalb der Hornmündung ist der Leiter z. B. in an sich bekannter Weise durch einen dielektrischen .Überzug modifiziert, um durch eine Verringerung der Phasengeschwindigkeit der übertragenen Welle die radiale Ausdehnung des Feldes zusammenschrumpfen zu lassen.

Vorzugsweise sind die transversalen Abmessungen des Dielektrikums klein gegen die Wellenlänge der übertragenen Energie. Bei einem Leiter mit kreisförmigem Querschnitt ist die Dicke der dielektrischen Schicht beispielsweise so bemessen, daß

In*- a

2π/

b² = h² — ω² εμ

Hierbei bedeutet α den Leiterradius, a' den Leiterradius mit Einschluß der dielektrischen Schichtdicke, E_d die Dielektrizitätskontante der Schicht, ε die Dielektrizitätskonstante des den Wellenleiter umgebenden Mediums und λ die Wellenlänge, b ist eine positive Zahl, die die radiale Ausdehnung des Feldes bestimmt und durch die Beziehung

gegeben ist, wobei h die Fortpflanzungskonstante auf dem Wellenleiter, ω die Kreisfrequenz und μ die Permeabilität des den Wellenleiters umgebenden Mediums ist.

Fig. 12 zeigt schematisch die Abstrahlung der Wellen vom Horn auf den Leiter mit modifizierter Oberfläche. In dieser Abbildung ist der Leiter innerhalb des Horns blank. Um die Verluste eines solchen Anregungssystems gering zu halten und praktisch nur den nichtstrahlenden Wellentyp anzuregen, muß dessen Feldverteilung, wie sie auf dem offenen Wellenleiter herrscht, so gut wie möglich innerhalb des Horns ausgebildet werden. Daher müssen Form und Dimension des Horns in Betracht gezogen werden.

Wenn der Leiter im Innern des konischen Horns blank ist, sind die Phasenflächen des Feldes mehr oder weniger kugelförmig. An der Hornöffnung sollten sie jedoch eben sein, um eine gute Feldanpassung an die offene Leitung zu erhalten. Deshalb sollte der öffnungswinkel des Horns klein sein, andernfalls it die Anpassung weniger gut und der Wirkungsgrad verringert. Auch sollte die öffnung nicht sehr viel größer sein als das Gebiet, in welchem das Feld der Oberflächenwelle angenähert nach einem Vr-Gesetz abfällt.

Andernfalls wird die effektive Öffnung des Horns

verkleinert, und Hornverluste können anwachsen.

Vorzugsweise besitzt das Horn einen wirksamen Öffnungsdurchmesser von wenigstens einer Viertelwellenlänge der zu übertragenden Energie.

Für ein Obernächenwellen-Übertragungssystem, besonders wenn es über einen sehr weiten Frequenzbereich geeignet sein soll, ist es wünschenswert, ein Horn mit gekrümmter Mantellinie zu verwenden. Gegen die Mündung hin soll der öffnungswinkel größer sein als am Anfang des Horns. Für höhere Frequenzen soll der öffnungswinkel klein sein, um gute Anpassung zu erzielen, während für niedrigere Frequenzen eine größere Öffnung zulässig ist. Deshalb ist ein Horn mit veränderlichem öffnungswinkel, das mit einem kleinen öffnungswinkel beginnt und sich dann zu einer großen öffnung erweitert, sowohl für die höheren als auch für niedrigere Frequenzen geeignet, ohne daß das Horn unförmig lang ist.

Wenn der Leiter auch innerhalb des Horns modifiziert ist, ist es möglich, den Wellentyp, der am offenen Ende des Horns am Leiter erscheint, schon innerhalb des Horns zu entwickeln. Der modifizierte Leiter hat innerhalb des Horns gleichfalls die Tendenz, das Feld zu konzentrieren, so daß gegen das Ende des Horns zu das Feld hauptsächlich durch die Oberflächenmodifizierung des Leiters und nicht so durch das Horn bestimmt ist.

An Stelle der festen Kontakte 17 und 19 in Fig. ι können gleitende Kontakte vorgesehen werden, wodurch es ermöglicht wird, die geometrische Länge des Oberflächenwellenleiters zu verändern. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 2 gezeichnet. Innerhalb des rohrförmigen Teils des Horns ist der Innenleiter der koaxialen Leitung 13 mit einem Metallzylinder 20 versehen, der den Oberflächenwellenleiter 15 einschließt und mit diesem Kontakt macht. Diese Anordnung bewirkt eine leitende Energiekopplung zwischen dem koaxialen Innenleiter 13 und dem Oberflächenwellenleiter 15 und erlaubt eine gleitende Verschiebung der Leitung 15 relativ zum Horn. Das freie Ende der Leitung 15 erstreckt sich über das hintere Ende des Horns hinaus und kann auf eine drehbare Trommel aufgewickelt werden. Eine derartige Trommel oder irgendwelche anderen Mittel können dazu verwendet werden, um eine bequeme mechanische Anordnung zur Veränderung der geometrischen Länge des Oberfiächenwellenleiters 15 zu schaffen.

Der verschiebbare Kurzschlußkolben 21 bildet einen Viertelwellenlängenresonator, der für die verschiedenen Betriebsfrequenzen eingestellt werden kann. Wie jedem Fachmann bekannt ist, verursacht ein Viertelwellenlängenresonator, wie er in Fig. ι (fest) oder in Fig. 2 (veränderbar) dargestellt ist, keine Fehlanpassung in dem Energie-Übertragungssystem, in das er eingeschaltet ist. Die Anordnung zur Auskopplung der Energie vom Leiter 15 auf der Empfangsseite ist identisch mit dem Aufbau auf der Sendeseite. Ein spitz zulaufendes Horn und eine koaxiale Leitung dienen dazu, die Energie der Wellen dem gewünschten Apparat zuzuführen. Es sei erwähnt, daß am Empfangsende derjenige Teil der Energie der Welle empfangen wird, der sich innerhalb der Ausdehnung der öffnung des Empfangshorns fortpflanzt. Die Energie der Welle, die sich außerhalb dieses Gebietes fortpflanzt, geht verloren.

Es sei weiterhin bemerkt, daß zu der Anordnung von Fig. 2 für den Teil des Oberflächenwellenleiters, der innerhalb des Horns liegt, kein dielektrischer Überzug und keine andere Oberflächenmodifizierung zur Verringerung der Phasengeschwindigkeit nötig ist.

Bei Bedarf kann die Hornöffnung in Fig. 1 oder 2 mittels einer dielektrischen Platte abgedeckt werden, die sich über die ganze Hornöffnung erstreckt und in der Mitte ein Loch besitzt, durch welches der Oberflächenwellenleiter hindurchgeht. Eine solche Abdeckung hat zwei Vorteile: Erstens schützt sie das Horninnere vor ungünstigen Witterungseinflüssen, wie Regen, und zweitens zentriert sie den Leiter in bezug auf das Horn. Die Anbringung einer solchen Abdeckung verursacht keine merklichen Verluste in dem System.

An Stelle einer leitenden Kopplung zwischen dem Oberflächenwellenleiter und dem Innenleiter der koaxialen Leitung kann eine kapazitive Kopplung verwendet werden. Wie Fig. 6 zeigt, hat der Oberflächenwellenleiter 15 innerhalb des Horns einen dielektrischen Überzug 16. Ein im wesentlichen zylindrisches Metallrohr 20, das innerhalb des rohrförmigen Teils des Horns koaxial zu diesem liegt, umschließt eng anliegend den mit einem Überzug versehenen Leiter 15. Das Rohr 20 ist ringförmig hinterdreht (s. 30). Die Länge der Hinterdrehung 30 beträgt eine Viertelwellenlänge. Die Anordnung bewirkt eine kapazitive Energiekopplung zwischen dem Rohr 20 und dem Oberflächenwellenleiter 15. Das Rohr 20 kann mit dan Innenleiter einer koaxialen Leitung verbunden werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform des gesamten Systems, wobei am Empfangsende eine Antenne vorgesehen ist. Die vom Sender 23 angeregten Wellen werden mittels einer koaxialen Leitung und der oben beschriebenen elektromagnetischen Hornankopplung 18 auf den Oberflächenwellenleiter 15 übertragen. Am Empfangsende wird eine identische Anordnung, bestehend aus Horn 24 und koaxialer Leitung, verwendet, um die Energie der Wellen einer Antenne 25 zuzuführen, von der sie ausgestrahlt wird. Für dieses Antennenspeisesystem kann eine drehbare Trommel 22 vorgesehen werden, um die geometrische Länge der Oberflächenwellenleitung verändern zu können. Die kapazitive Kopplung von Fig. 6 ist für diese Anordnung mit einstellbarer Länge besonders geeignet. Die Vorteile dieser Anordnung werden offensichtlich, wenn man das Problem der Speisung einer auf einem Turm montierten Antenne betrachtet, der unter dem Einfluß des Windes schwingt. Eine Antennenspeiseleitung, entsprechend der vorliegenden Erfindung, die eine derartige Ein-

richtung besitzt, kann den Längenänderungen folgen, die sich durch die Bewegungen der Antenne im Wind ergeben. Im übrigen hat sich gezeigt daß das in Fig. 3 dargestellte Antennenspeisungssystem einen höheren Wirkungsgrad hat als eine koaxiale oder Hohlrohrspeiseleitung.

An Stelle eines solchen konischen Hornes, wie es in den Fig. 1, 2 und 3 zu sehen ist, kann ein aus Segmenten bestehendes verwendet werden. Fig. 7 zeigt ein solches Horn, bei dem dreieckige Metallsegmente 31 den konischen Teil des Horns formen. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich ein direkter Übergang in eine koaxiale Leitung, da die Segmente 31 lediglich die Fortsetzung des Außenleiters 32 der koaxialen Leitung darstellen. Der Oberflächenwellenleiter 15 bildet die Fortsetzung des Innenleiters der koaxialen Leitung, für welche die Luft zwischen dem Innen- und Außenleiter das Dielektrikum bildet. Die zugespitzten Segmente 31 sind einige Wellenlängen lang und können durch Herausschneiden von dreieckigen Stücken aus dem Ende des Außenleiters 32 hergestellt werden. Die verbleibenden Segmente 31 werden nach außen gebogen und zum segmentären Horn geformt. Es ist einleuchtend, daß die Segmente 31 auch in rechteckiger Form ausgeführt werden könnten, indem einfach in die koaxialen Außenleiter 32 mehrere auf den Umfang verteilte und vorzugsweise zu der Achse parallel verlaufende Einschnitte gemacht werden und die entstehenden Segmente nach außen gebogen werden.

Ein segmentäres Horn kann auch auf solche Weise hergestellt werden, daß eine Anzahl von Metallstäben oder Blechen von gewünschter Form am Ende des äußeren koaxialen Leiters derart befestigt wird, daß diese Stäbe oder Bleche von der Befestigungsstelle am koaxialen Außenleiter aus auseinanderfächern.

Die Oberfläche des Wellenleiters 15 braucht nur außerhalb des segmentären Horns, beispielsweise durch einen an sich bekannten dielektrischen Überzug, modifiziert zu sein, ähnlich wie bei den Ausführungsformen mit massivem Metallhorn. Ebenso wie bei einem massiven Horn ist es vorteilhaft, im Falle eines durch Aufbringen einer dielektrischen Schicht modifizierten Leiters 15 die Schichtdicke unmittelbar vor dem Horn zu vergrößern.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine besondere Art eines direkten Überganges von einer koaxialen Leitung auf eine Oberflächenwellenleitung. Bei dieser Ausführungsform ist kein konischer Hornteil verwendet. Die koaxiale Leitung besteht aus dem Außenleiter 33, dem Dielektrikum 35 und dem Innenleiter 15. Das Ende des äußeren Leiters 33 wird von einer Anzahl von Fingern 34 gebildet, die hier dreieckige Gestalt haben und sich über mehrere Wellenlängen erstrecken. Über das Ende der Finger 34 hinaus nimmt, wie in 36 angedeutet, das Dielektrikum nach dem Innenleiter 15 zu graduell ab, bis nur die dielektrische Schicht 16, die für die Leitung der Oberflächenwellen nötig ist, auf dem Leiter 15 übrigbleibt. Der konische Teil des Dielektrikums 36 erstreckt sich vorzugsweise über mehrere Wellenlängen.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine weitere Methode zur Kopplung einer Oberflächenwellenleitung mit einem Hohlleiter. Der Hohlleiter 37, der in der Abbildung rechteckig angenommen ist, besitzt in der einen Wand eine öffnung 38. Das Horn 18 ist um diese öffnung herum über ein kurzes Koaxialleiterstück mit dem Hohlleiter verbunden. Der Oberflächenwellenleiter 15 geht als Innenleiter dieses Stückes durch die öffnung hindurch und ist bei 39 mit der gegenüberliegenden Wand des Hohlleiters verbunden. In der Nähe der öffnung 38 befindet sich ein verschiebbarer reflektierender Kolben 40, der gut passend montiert ist und zu Anpassungszwecken dient.

Es ist offensichtlich, daß man, statt den Leiter 15 durch die öffnung 38 mit dem Hohlleiter zu verbinden, ein metallisches Rohrstück, wie in den Fig. 2 und 6 bei 20 gezeigt ist, mit dem Hohlleiter leitend verbinden kann und entweder, wie in Fig. 2 gezeigt, eine leitende Verbindung oder, wie in Fig. 6 gezeigt, eine kapazitive Kopplung zwischen dem Oberflächenwellenleiter 15 und dem Rohr 20 vorsehen kann.

Es können auch andere Oberfläch en Veränderungen an der Leiteroberfläche vorgenommen werden, um die Phasengeschwindigkeit der übertragenen Wellen zu reduzieren und das Feld um den Leiter herum zu konzentrieren.

Eine solche Möglichkeit der Modifizierung ist in Fig. 4 gezeigt. Auf der Leiteroberfläche können Gewinde aufgebracht werden, wodurch die gewünschte Verringerung der Phasengeschwindigkeit bewerkstelligt wird.

Eine andere Möglichkeit ist, längs des Leiters abwechselnde Vorsprünge und Einschnürungen an- ioo zubringen, wie in Fig. 5 veranschaulicht ist.

Eine ähnliche Wirkung wird erzielt durch bloße Aufrauhung der Oberfläche des Leiters oder dadurch, daß die Leitung aus einem Einzelleiter mit nicht kreisförmigem Querschnitt hergestellt wird, der auf seiner Länge verdrillt wird, oder, daß die Leitung aus einer Anzahl von Leitern gebildet wird, die miteinander verdrillt werden, so daß sie einen Leiter mit ungleichförmiger Oberfläche bilden.

Die Feldverteilung der fortgeleiteten Wellen ändert sich nicht wesentlich für andere Querschnittformen des Leiters. Deshalb kann ein konisches Horn auch für Oberflächenwellenleitungen mit nicht kreisförmigem Querschnitt verwendet werden.

Ein das Horn und einen Teil oder die ganze Leitung umschließendes metallisches oder aus Isolierstoff bestehendes Gehäuse kann ohne nachteiligen Einfluß auf die Energieübertragung angebracht werden. Jedoch soll an der Stelle, an der die Oberflächenwellenleitung durch das Gehäuse hindurchtritt, eine Öffnung angebracht sein, die wenigstens so groß wie die öffnung des Horns ist.

Es hat sich herausgestellt, daß es besonders vorteilhaft ist, unmittelbar vor der öffnung des Horns die dielektrische Schichtdicke zu vergrößern. Die

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dickere dielektrische Schicht bewirkt, daß das Feld stärker um den Oberflächenwellenleiter konzentriert wird, so daß ein großer Teil der längs des Wellenleiters strömenden Energie von der Öffnung des Horns aufgenommen wird. Versuche zeigen, daß die mechanische Aufhängung einer solchen Leitung keine Schwierigkeiten bereitet. Die Leitung wurde in Abständen von etwa 25 m an gewachsten Schnüren aufgehängt, wobei der Abstand vom Boden zwischen 1,20 und 2,40 m schwankte. Die Halterungen selbst und die durch sie verursachten Knicke in der Leitung hatten keinen merklichen Einfluß auf die Betriebsdämpfung.

Unter besonderen Bedingungen können ausreichende, jedoch weniger günstige Ergebnisse bei Verwendung eines Leiters erzielt werden, dessen Oberfläche weder verformt noch mit einer aufgebrachten dielektrischen Schicht versehen ist und der mit einem elektromagnetischen Horn angeregt wird. Jeder blanke Leiter überzieht sich nämlich unter Einwirkung der Atmosphäre mit einer mikroskopisch dünnen dielektrischen Schicht, die eine Konzentration des Feldes um den Leiter herum bewirkt. Bei Frequenzen oberhalb 5000 MHz ist die für eine ausreichende Feldkonzentration erforderliche Dicke der dielektrischen Schicht so gering, daß eine Verwendung eines solchen Leiters in Verbindung mit einem Horn möglich ist. Jedoch ist bei einer vorgegebenen Frequenz für einen solchen Leiter ein wesentlich größeres Horn erforderlich als für einen Leiter mit verformter oder zusätzlich mit Isoliermaterial umgebener Oberfläche.

Während die Erfindung an Hand von speziellen Ausführungsmöglichkeiten erläutert wurde, ergibt sich für den Fachmann von selbst eine Reihe anderer Ausführungsformen der Erfindung, ohne von den Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Deshalb sollen die besprochenen Ausführungsformen lediglich als illustrative und in keiner Weise als einschränkende Unterlage der folgenden Patentansprüche betrachtet werden. Sie sollen lediglich die Reichweite der Erfindung andeuten.

Claims

Patentansprüche:

ι. Einrichtung zur Übertragung axialsymmetrischer elektromagnetischer Oberflächenwellen einer Frequenz von etwa 50 MHz aufwärts entlang eines einzelnen langgestreckten metallischen Leiters mit einer durch entsprechende Ausbildung der Leiteroberfläche verminderten Phasengeschwindigkeit, gekennzeichnet durch einen wenigstens an einem Ende des Leiters vorgesehenen, zur Ein- bzw. Auskopplung dienenden Richtkörper, bei dem der Außenleiter einer koaxialen Anschlußleitung im Zusammenwirken mit dem Innenleiter und einem gegebenenfalls zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter vorgesehenen zusätzlichen Dielektrikum unter stetiger Ausdehnung des Wellenfeldes derart ausläuft, daß der in der Koaxialleitung vorhandene Wellentyp in einen für die Übertragung über den metallischen Leiter geeigneten, im wesentlichen axial gerichteten und axialsymmetrischen Oberflächenwellentyp transformiert wird, bzw. umgekehrt.
2. Richtkörper zur Ein- oder Auskopplung der elektromagnetischen Wellen für eine Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als elektromagnetisches Horn ausgebildet ist.

3. Richtkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn einen wirksamen Öffnungsdurchmesser von wenigstens einer Viertelwellenlänge der zu übertragenden Energie aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenwellenleitung mit dem Innenleiter der koaxialen Leitung als Einheit ausgebildet ist (Fig. 7).

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Wellentransformation erforderliche verminderte Phasengeschwindigkeit durch eine Strukturveränderung der Oberfläche des Leiters erzielt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Leiters durch ein aufgebrachtes Gewinde verformt ist (Fig. 4)-

7. Einrichtung nach Anspruch ζ, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter nicht kreisförmigen Querschnitt besitzt und um seine Längsachse verdrallt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einer Anzahl von leitenden Elementen besteht, die miteinander verdrillt sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Leiters mit einem den Leiter umgebenden Dielektrikum belegt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Abmessungen des Dielektrikums klein gegen die Wellenlänge der übertragenen Energie sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Leiter mit kreisförmigem Querschnitt, wobei die Dicke der dielektrischen Schicht so bemessen ist, daß

In— =
a

— ε \α

In)

InO,

worin α den Leiterradius, a! den Leiterradius mit Einschluß der dielektrischen Schichtdicke, e_d die Dielektrizitätskonstante der Schicht, ε die Dielektrizitätskonstante des den Wellenleiter umgebenden Mediums und λ die Wellenlänge bedeutet und worin b eine positive Zahl ist, die die radiale Ausdehnung des Feldes bestimmt und durch die Beziehung

gegeben ist, wobei h die Fortpflanzungskonstante auf dem Wellenleiter, ω die Kreisfre-

quenz und μ die Permeabilität des den Wellenleiter umgebenden Mediums ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 und 9 bis ii, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Öffnung des Horns die Dicke der dielektrischen Schicht vergrößert ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine kapazitive Kopplung zwischen dem mit einer dielektrischen Schicht umgebenen Oberflächenwellenleiter und dem Innenleiter des koaxialen Kabels dadurch erreicht wird, daß der Innenleiter den Oberflächenwellenleiter im Bereich des Kabelendes konzentrisch umgibt und daß der Innenleiter auf seiner Innenfläche wenigstens eine ringförmige Aussparung aufweist, deren Länge einem Viertel der Wellenlänge der zu übertragenden Energie entspricht (Fig. 6).

14. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch ein elektromagnetisches Horn, dessen den kleineren Durchmesser aufweisendes Ende einen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt mit einer seitlichen Öffnung besitzt, an die der Außenleiter der koaxialen Leitung angeschlossen ist, wobei ihr Innenleiter durch die öffnung hindurchreicht und mit dem Oberflächenwellenleiter verbunden ist (Fig. i).

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das rückwärtige Ende des zylindrischen Teiles einen Viertelwellenlängenresonator bildet (Fig. 1 und 2).

16. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächenwellenleitung und Horn unter Erhaltung ihrer Gleichachsigkeit und Kopplung gegeneinander verschiebbar sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das freie Ende des Innenleiters über das rückwärtige Ende des Horns hinaus erstreckt und auf eine drehbare Trommel aufwickelbar ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das rückwärtige Ende des Horns über ein Koaxialleiterstück senkrecht auf einen Hohlleiter stößt, wobei der Außenleiter mit dem Hohlleiter verbunden und der Innenleiter durch die Anschlußöffnung hindurchgeführt ist (Fig. 10 und 11).

19. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn eine derartig gekrümmte Mantellinie aufweist, daß der öffnungswinkel mit wachsendem Durchmesser zunimmt.

20. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Außenleiters der koaxialen Leitung in eine Anzahl langgestreckter, leitender Elemente ausläuft, die entlang dem Oberflächenwellenleiter nach außen gespreizt sind (Fig. 7).

21. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Horns mit einer Isolierstoffplatte abgedeckt ist, wobei der Oberflächenwellenleiter durch eine öffnung in deren Mitte hindurchgeführt ist.

22. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn und ein Teil oder die ganze Leitung von einem Metalloder Isolierstoffgehäuse umgeben sind.

23. Richtkörper für eine Einrichtung nach Anspruch 1, 9 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter eines koaxialen Kabels mit festem Dielektrikum in eine Anzahl langgestreckter, leitender Elemente ausläuft und dessen Dielektrikum in einem konisch zulaufenden Abschnitt in die dünnere dielektrische Schicht des Oberflächenwellenleiters sprunglos übergeht (Fig. 8 und 9).

80 In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 600on;

USA.-Patentschrift Nr. 2 129 711;

»Annalen der Physik und Chemie«, neue Folge, Bd. 67, 2/1899, ^s· ²33 bis 290;

»Annalen der Physik«, Bd. 23, 1907, S. 44 bis 60; Bd. 28, 1909, S. 651 bis 661; 4. Folge, Bd. 32, 1910, S. 465 bis 476; 5. Folge, Bd. 21, 1934, S. 113 bis 138;

»Proceedings of the IRE«, Oktober 1929, Bd. 17, S. 1840 bis 1867; Februar 1950, S. 206;

»Journal of Applied Physics«, Dezember 1949, S. 1189, 1193 bis 1196;

»Physikalische Berichte«, 1930, S. 653;

»The Bell System Technical Journal«, Januar 1950, S. 20 bis 49;

Frank und von Mises, »Differentialgleichungen der Physik«, 2. Auflage, 1935, S. 914, 916 und 918;

Sommerfeld, »Vorlesungen über Theoretische Physik«, Bd. III, Elektrodynamik, 1948, S. 177, und 190.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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