DE614262C

DE614262C - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE614262C
Application number: DEI49590D
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1933-04-29
Filing date: 1934-04-27
Publication date: 1935-06-11
Also published as: FR772462A; GB442003A; US2279062A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung für eine mit der Energieleitung über eine Kopplungseinrichtung verbundene Antenne, wobei die Phase und Amplitude des Antennenstromes sich bei zufälligen, etwa durch Witterungsverhältnisse verursachten Änderungen der Kreiskonstanten des Antennenkreises, insbesondere der Antennenkapazität, praktisch gar nicht

ίο oder nur sehr wenig ändert. Die Erfindung ist insbesondere bei aus zwei oder mehreren derartigen Antennen gebildeten Richtsystemen mit Vorteil verwendbar.

Erfindungsgemäß werden zur Erzielung der gewünschten Wirkung die Konstanten bzw. Schaltelemente des Antennenkreises und der Kopplung so eingestellt, daß in normalem Zustand der Anlage, für welchen die auf das Ende d^r Energieleitung übertragene Impedanz des Antennenkreises in an sich bekannter Weise auf den Wellenwiderstand der Energieleitung abgeglichen ist, der Strom im Antennenkreis in seiner Phase gegenüber der auf den Antennenkreis von der Kopplungsvorrichtung übertragenen Spannung um einen Winkelbetrag verschoben ist, der gleich der elektrischen Länge der Energieleitung ist.

Abb. ι und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen eines Leitstrahlsystems gemäß der Erfindung.

Abb. 3 und 4 zeigen Kurven zur Erläuterung der Erfindung.

i, 2, 3 und 4 sind vier Antennen, die in den Ecken eines Quadrates angeordnet sind und von einer in der Mitte des Rechteckes gelegenen Sendestation 5 gespeist werden. Die Sendestation hat zwei Ausgangskreise-6 und 7, und zwar ist 6 mit den gleich langen Über- ■ tragerleitungen 8 und 9 verbunden, die über die Transformatoren 10 und 11 zu den diagonal gegenüberliegenden Antennen 3 und 1 führen, während der Ausgangskreis 7 in gleicher Weise über die gleich langen Übertragerleitungen12 und 13 und die Transformatoren 15 und 16 mit dem anderen diagonal gegenüberliegenden Antennenpaar 2 und 4 verbunden ist.

Wenn die Antennen 3 und 1 in einer gewünschten Phasenbeziehung gespeist werden, ergeben sie eine 8-förmige Strahlungskurve, ebenso die Antennen 2 und 4 eine gleiche Kurve, deren Achse um 90⁰ zu der der ersten versetzt ist. Auf diese Weise erhält man vier Äquisignalzonen in Richtungen, die in je 90⁰ voneinander und unter je 45° zu den Achsen der beiden Strahlungskurven ausgehen. Diese Zonen bilden die Leitwege für das Flugzeug o. dgl.

Es hat sich nun gezeigt, daß Leitwege nicht in ihrer Lage unverändert bleiben, son-

dern sich beträchtlich verlagern können Solche Änderung kann beispielsweise durch eine Änderung des Phasenverhältnisses zwischen den Strömen in diagonal gegenüberliegenden Antennen erzeugt werden, die ihrerseits beispielsweise durch Witterungseinflüsse verursacht werden können, die die Kapazität der verschiedenen Antennen beeinflussen.

) Dieses soll durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden.

Es möge angenommen werden, daß alle die Antennen speisenden Systeme identisch sind; dann wird, wenn jedes System so konstruiert ist, daß die Phasenbeziehung zwischen dem Antennenstrom I₀ und der der Energieleitung zugeführten Spannung E₁ auch bei Änderungen der Antennenkapazität konstant bleibt, das gewünschte Ergebnis erzielt werden. Die nachfolgenden Erwägungen können deshalb auf das System beschränkt werden, das eine einzige Antenne, z. B. die Antenne 2, speist. Zur Bestimmung der Art und Weise, in der der Antennenstrom I₀ sich gegenüber der Spannung Ij₁ ändert, können diese beiden Größen ausgedrückt werden als Funktionen des in der Primärwicklung von 15 fließenden Stromes I_x, der festen Konstanten des Systems und der sich mit den äußeren Bedingungen ändernden Antennenabstimmung. Diese Ausdrücke können dann untersucht werden, um die richtige Abstimmung des Systems im Verhältnis zu den festen Konstanten des Systems zu bestimmen, um das Verhältnis zwischen dem Antennenstrom I₀ und der der Energieleitung zugeführten Spannung E₁ unabhängig von Änderungen der Antennenkapazität zu machen.

Zur Ausführung dieser Rechnung ist zuerst zu berücksichtigen,-daß die Abstimmung der Antenne und ihre Kopplung mit der Energieleitung so sein muß, daß der auf die Energieleitung 12 übertragene Widerstand dem Wellenwiderstand der Energieleitung gleich ist. Diese Bedingung des Systems soll als die nor-

ν — x

A₂ - X₁.-

^Xc male Bedingung bezeichnet werden, von der das System bei äußeren Einflüssen abweicht. Der Wellenwiderstand ist wegen der hohen Frequenz ein reiner Widerstand und soll mit Z bezeichnet werden. Es kann leicht gezeigt werden, daß, damit die Energieleitung in ihrem Wellenwiderstand endet, folgende Bedingungen erfüllt sein müssen:

XS, R

XSP ~t~ -^p

¹ +

(2)

In diesen Formeln ist X_m die gegenseitige Reaktanz des Transformators ι ζ, R der Gesamtwiderstand des Antennenkreises, Z₂₀ die Gesamtreaktanz des Antennenkreises unter normalen Bedingungen, X_2p die Reaktanz des Antennenkreises, übertragen auf die Primärwicklung desTrankformators, X_p die Gesamtreaktanz des Teiles des Primärkreises des Transformators auf der linken Seite der Linie E_x-I_x.

Man erkennt, daß dieser Wert X₁, die Reaktanz des Kondensators 17 einschließt, der zu dem Zweck eingeschaltet ist, um für die Größe X_p einen gewünschten Wert zu ergeben, wie später erklärt werden wird.

Bezeichnet man die Kapazität der Antenne unter normalen Bedingungen mit C und eine Änderung dieser Kapazität, herrührend von äußeren Einflüssen, 'mit dC, so kann man schreiben

i. — Xc — XdC = Xi. — ~~^7r^r~~r~I~r\

w(C + UCj

In dieser Formel ist X_L die gesamte induktive Reaktanz des Antennenkreises in einem ge-

ebenen Augenblick, X_c die gesamte kapazitive Reaktanz des Antennenkreises unter normalen Bedingungen, X_dc die momentane Änderung der Kapazität des Antennenkreises infolge von äußeren Einflüssen und ω = 2π/, ι°5 wo/die abzustrahlende Frequenz ist. Dann ist

X_L (3)

In dieser Formel ist
da

-A = —
X

(4)

Die Ausdrücke für den Strom I_x in der Primärwicklung von 15 und den Antennenstrom I_a werden aus folgenden Gleichungen abgeleitet:

Ty

(5)

(6)

Hier ist.E_x die Spannung am Empfangsende der Energieleitung und j = ]/— 1 .

Aus der Theorie der Energieleitungen erhält man folgende Beziehungen für I₁ und E₁. E₁ = E_x cos θ + / I_xZ sin θ 1

JE_x \ ■ (7)

I₁ = I_x cos 6 + -—- sin θ I ζ )

Hier ist θ die Länge der Energieleitung, ausgedrückt in Graden, d. h. in Gliedern der Phasenverschiebung zwischen der Spannung .E₁, die der Energieleitung zugeführt wird, und der Spannung E_x am fernliegenden Ende der Energieleitung, wobei angenommen ist, daß diese Leitung in ihrem Wellenwiderstand endigt. .

Wenn die Leitung richtig abgeschlossen ist, dann ist

I_x-Z = E_x,

und aus den Gleichungen {1) und (2-) kann man die folgenden Beziehungen ableiten:

x\o) = ZR (i + tg» =

ZR

cos² φ

und

Xp —

Z_ ~R

Ztgip.

(9)

Hier ist tgw == ^- und w = Phasen-

verschiebung zwischen dem Antennenstrom I_a und der Spannung, die in der Antenne durch den Strom I_x induziert wird, wenn de = o.

Wenn man die Gleichungen (3) und (8) in

E_x = I_xZ Ij tgy>

die Gleichung (6) einsetzt, erhält man den folgenden Ausdruck für den Antennenstrom

In ähnlicher Weise erhält man, wenn man die. Gleichungen (3), (8) und (9) in die Gleichung (5) einsetzt;

COS²^i

(11)

30 Wenn die Gleichung (11) in die obere Gleichung (7) eingesetzt ist, erhält man

E₁ = I_xZ

cos θ cos² ψ (tfif V tg 0) +

In den Gleichungen (io), (ii) und (12) ist die einzige Veränderliche y. Aus Gleichung (4) kann man erkennen, daß diese Veränderliche eine Funktion der Änderung der Antennenkapazität von dem normalen Zustand ist.

Die Gleichungen (10) und (12) sind daher

die gewünschten Ausdrücke, die den Anten-

■ nenstrom I₀ und die Spannung E₁ auf den Strom I_x in der Primärwicklung des Transformators beziehen. Diese Ausdrücke geben diese Verhältnisse sowohl in Phase als auch in Amplitude wieder. Nun soll die Art bestimmt werden, in der der Antennenstrom I_a sich gegenüber der Spannung^ bei Änderung der Antennenkapazität ändert, sowie die richtige Abstimmung der Antenne, um diese Änderung auf einen Mindestwert zu bringen. Diese Gleichungen können leicht graphisch gelöst werden. Die komplexe Funktion

i ι

.Xl_ ' ^{1 + 7} R '^y

die in den Gleichungen (10), (11) und (12) erscheint, kann gleich W gesetzt werden und ergibt für alle Werte von y von minus unendlich bis plus unendlich einen Kreis, wie in Abb. 3 dargestellt. Dieser Kreis hat einen Durchmesser= 1, und zwar liegt sein Mittelpunkt auf der realen Achse in einem Abstand von 0,5 vom Anfangspunkt. Der Strom I_x liegt längs der realen Achse dieses Kreises. Aus der Gleichung (10) ergibt sich, daß der Tangens des Winkels zwischen jl_a und I_x, die mit θ bezeichnet wird, ist

- T~y_

~ RXl '

Zieht man nun die Maßlinie S parallel zu der imaginären, d.h. vertikalen Achse in einem

Abstand-^- von der imaginären Achse, wobei die Skala dieser Maßlinie die ihren Teilungen proportionalen Beträge von y oder, unter Benutzung der Gleichung (4), die ihren Teilungen nicht proportionalen Beträge von y anzeigt, so kann man den Wert von W für jeden Wert von y finden, indem man eine Linie von dem Anfangspunkt durch die verschiedenen Punkte auf der Maßlinie 6" auf den Kreis projiziert, wie bei W in Abb. 3

gezeigt. Die Länge dieser Linie ergibt den Wert von *

•y

und der Vektor jl_a fällt mit dieser Linie zusammen.

Aus Gleichung (12) erkennt man, daß man den Vektor E₁ durch Addition der Großen W und j cos² ψ (tg θ + tg ψ) erhalten kann. Diese letztere Größe ist imaginär. Wenn man die Größe cos²y (tgy + tgö) an der imaginären Achse von Abb. 3 abmißt und den so bestimmten Punkt mit dem; Schnittpunkt " des Vektors W und des Kreises verbindet, so erhält man einen Vektor, der E₁ wiedergibt. Man kann nun an dem Diagramm mit θ den Winkel zwischen I_x und B₁ und mit ψ den Winkel zwischen E₁ und jl_a bezeichnen.

Um den Winkel ψ zwischen jl_a und E₁ für alle Werte der Antennenkapazität graphisch zu bestimmen, muß man die entsprechenden Werte von y auf die Meßlinie 5" legen und das Dreieck dadurch vervollständigen, daß man die Vektoren einzeichnet, die E₁ und jl_a entsprechen, wie dies schon für einen beliebigen Wert von y beschrieben und wie dies für weitere Werte durch die punktierten Linien in Abb. 3 angegeben ist.

Abb. 4 zeigt eine Kurvenschar, die auf diese Weise bestimmt ist und das Verhältnis zwischen dem Winkel φ und der prozentualen Änderung der Antennenkapazität ausdrückt. Zum Aufzeichnen dieser Kurve wurden folgende Konstanten angenommen:

R =6 Ohm, . . -v '^: .

Z₁ =1000 Ohm, ■-■ - - .

Länge der Energieleitung θ = 6o°, Wellenwiderstand Z der Energieleitung = 80 Ohm.

Bei der Bestimmung jeder Kurve wurde angenommen, daß die Antennenkapazität C normalerweise so war, daß der Phasenwin-> kel^ zwischen dem Antennenstrom I_a und der induzierten Spannung den an der Kurve angegebenen Wert hatte.

Aus Abb. 4 erkennt man, daß 4ie Kurve, die ψ = 6o° entspricht, - keine ^Veränderung in φ, zeigt, die durch eine Änderung der Antennenkapazität erzeugt ist. '6ö° ist aber die angenommene elektrische Länge Θ der Energieleitung. So erkennt man aus Abb. 4, daß, wenn die Antenne von Resonanz so weit verstimmt wird, daß der Phasenwinkel· zwischen dem Antennenstrom und der ■ Spannung = der Länge der Energieleitung, ausgedrückt in Graden, ist, die Phase des Antetaenströmes ohne Rücksicht auf Änderung der Antennenkapazität konstant ist. Mit anderen Worten, es soll die Antenne so abgestimmt werden, daß ψ = — 0. Daß diese Beziehung nicht nur für einen besonderen Fall, sondern allgemein gilt, kann man leicht aus den Gleichungen (10) und (12) ersehen. Wenn j cos²^ (tg^» + tgö) gleich Null gemacht wird, erkennt man aus den Gleichungen (10) urirf (12)); daß die Spannung E₁ und' der Strom jla für jeden Wert von y in Phase sind. Dieses Glied ist aber gleich Null, wenn ψ = — 0 ist. Dieses allgemeine Verhältnis geht auch aus Abb. 3 hervor, da, wenn der Vektor

cos² ψ (tgy + tg 0) = NuU ^7S

gemacht wird, der Vektor .E₁ mit jl_a zusammenfällt; d. h. E₁ und /I_a sind für jeden Wert von y in Phase.

Aus den Gleichungen (10) und (12) ergibt sich noch ein weiteres wichtiges Resultat, wenn angenommen wird, daß ψ = — 0. Aus diesen Gleichungen kann, man finden, daß

= einer Konstanten.

" ' ^l \'ZR

Dieses bedeutet natürlich, daß, wenn die Antenne so abgestimmt ist, daß -ψ = — θ, der Antennenstrom nicht nur ohne Rücksicht auf Kapazitätsänderungen von konstanter Phase ist, sondern auch in seiner Größe konstant ist. Dieses ist wichtig, da durch eine Änderung der Größe oder der Phase des Antennenstromes Änderungen der Leitstrahlen hervorgerufen werden können.

So kann man aus diesen Betrachtungen die folgenden einfachen Regeln für den Aufbau des Systems· ableiten: "

i. Man lasse die Energieleitung in ihrem Wellenwiderstand enden.

- .2. Man stimme die Antennen so ab, daß - a

Jeder der Antennenkreise enthält eine Belastungsspule. 18, durch die man diese gewünschte Abstimmung erzielen kann. Der Kondensator 17':wird im Primärkreis dazu verwendet, um die reaktive Komponente der Antennenimpedanz heraus abzustimmen, die durch den Transformator hindurch reflektiert ist, um auf diese Weise die Energieleitung in ihrem Wellenwiderstand enden zu lassen.

Bei der obigen Betrachtung von Abb. 1 war angenommen, daß .die diagonal gegenüberliegenden Antennen mit einer Phasenverschiebung von, i8o° gespeist wurden, wodurch gerade Leitstrahlen gelegt werden konnten. Es kommt häufig vor, daß es erwünscht ist, diese Leitstrahlen abzubiegen. Es ist deshalb notwendig, die diagonal gegenüberliegenden Antennen mit Phasenverschiebungen von weniger als r8o? zu speisen, in welchem Fall die Achterfiguren. Kardeoiden werden. Dieses

kann man gemäß Abb. 2 erreichen. In dieser Abbildung ist eine künstliche Energieleitung 17 mit der Leitung verbunden, die nach der einen Antenne jedes Paares verläuft. Diese künstliche Leitung soll eine elektrische Länge gleich der Phasenverschiebung von dem i8o°-Verhältnis haben, das zwischen den beiden Antennenströmen gewünscht wird. Wenn z. B. die beiden Antennen mit einer Phasenverschiebung von i8o°—ρ gespeist werden sollen, dann soll die künstliche Leitung leine elektrische Länge = ρ haben, um das Phasenverhältnis und die Größe der Antennenströme konstant zu halten. Die Antenne, mit der die künstliche Leitung verbunden ist, soll so bemessen sein, daß ψ = — (0 4~ ρ)·

Die künstliche Energieleitung soll so bemessen werden, daß ihre Ein- und Ausgangsimpedanzen gleich sind, und so, daß ihre Ein-

ao und Ausgangsspannungen gleich sind. Die Regeln hierzu sind bekannt. Es genügt, darauf hinzuweisen, daß die Leitung T-förmig sein kann, wie dargestellt, wobei die Reihenelemente induktiv und die Neben-Schlußelemente kapazitiv sein können, wenn der Winkel (0 + ρ) größer sein soll als 0 oder wo die Reihenelemente kapazitiv und die Nebenschlußelemente induktiv sein können, wenn der Winkel (0 -j- ρ) kleiner als 0 sein soll. Da die Gleichungen (7) unter der Annahme abgeleitet waren, daß die Dämpfung der Energieleitung vernachlässigbar sei, sind die oben erzielten Resultate nur dann genau, wenn diese Annahme richtig ist. In den meisten praktischen Fällen werden sie jedoch genügend genau sein. Wenn die Dämpfung nicht vernachlässigbar ist, beispielsweise in Fällen, wo ein unterirdisches Kabel verwendet wird, dann nehmen die Gleichungen (7) die folgende Form an:

E₁ = E_x cos hax -\- I_xZ sin hax ]

sin hax >·

I₁ =z I_x cos hax 4- Εχ ·

WO

wo α = Dämpfungskonstante pro Meter der

Leitung,

β = Wellenlängenkonstante pro Meter

der Leitung,
χ = Physikalische Länge der Leitung in

Metern,
α .τ = Dämpfung der Leitung, gemessen in

Neper,

βχ = θ = elektrische Länge der Energieleitung in Graden.

Wenn man in die obige Gleichung (13) den Ausdruck (11) für die Größe E_x einsetzt, erhält man

E₁ — I_xZ 5—·. cos^ (ι tgy -f tghax

(14)

Diese Gleichung entspricht der Gleichung (12). Es kann leicht gezeigt werden, daß

tghax = tgh(a -\- jß) χ == sinh2ax-h fsinzßx

COS hzaX-{- Q.Qß,2,ßx

(15)

Da χ in den meisten Fällen klein ist, kann man sin h und cos h durch die ersten Glieder ihrer Reihe ersetzen.
dann

Gleichung (15) wird

\ghax

zax

Daher ist

I + COS26 + j tgfl.

(16)

+ tghax = j tgy 4- 7 tgfl + 2,ax

ι 4- cos 2Θ

(17)

so Die Gleichung (14) kann in derselben Weise wie die Gleichung (12) als Kreis dargestellt werden. Das Kreisdiagramm wird dasselbe sein wie Abb. 3, ausgenommen daß, wie aus Gleichung (17) ersichtlich, der Vektor cos² φ (tgy 4" tf? Θ) aus der Stellung A nach der Stellung B nach links um

•ο , ο lax
einen Betrag von cos^ w %- ver-

^ö ^Y 1 — cos 2Θ

schoben wird, und daß der Vektor E₁ von dem unteren Ende des Vektors B gezogen wird, wie durch JS₁B angegeben.

Wenn die Werte des Winkels φ nun, wie zuvor, als Funktion von y oder χ aufgetragen werden, d. h. Kapazitätsänderungen in der Antenne, so wird man wieder finden, daß die Änderungen von φ bei Kapazitätsänderungen ein Minimum werden, wenn ψ = — θ ist. Man wird jedoch nicht finden, daß I_a und E₁ für alle Kapazitätsänderungen in Phase sind, selbst wenn ψ = — θ , sondern daß sie sich in ihrer Phase um einen kleinen Betrag aus dem Grunde ändern, daß die Anfangspunkte der beiden Vektoren auf der wirklichen Achse

um den Betrag cos² ψ ■-—"—-■-- vonein-

' — ^{CQS 2}^ Kisses«

ander entfernt sind. Um diese Phasenverschiebung auf einen kleinsten Wert zu bringen, soll die Energieleitung mit geringster Dämpfung konstruiert werden.

Bei dem Entwerfen eines Systems gemäß der Erfindung kann es schwierig werden, die Antenne so abzustimmen, das ψ = — θ

ίο wird, wo θ sehr groß ist, beispielsweise größer als 75°. In einem solchen Fall ist es erwünscht, eine künstliche Leitung mit kapazitiven Reihenelementen in die Energieleitung einzuschalten, um dadurch die elek-

'5 trische Länge der ganzen Leitung einschließlich des künstlichen Teiles auf einen" Wert zu verringern, der eine praktische Abstimmung entsprechend den gewünschten Verhältnissen gestattet.

Die vorliegende Erfindung ist an Hand eines Radiopeilsenders beschrieben; sie beschränkt sich naturgemäß nicht darauf, sondern ist auch allgemein anwendbar auf alle Systeme, bei denen man die Wirkung äußerer Einflüsse auf die Antenne auf ein Mindestmaß bringen will. Eine solche Anwendungsform wäre z. B. gerichteter Rundfunk.

Claims

Patentansprüche:

i. Antennenanordnung, bei der die Stromphase und Stromamplitude einer von der Energieleitung über eine Kopplungsvorrichtung gespeiste Antenne von zufälligen, etwa durch Witterungsverhältnisse hervorgebrachten Änderungen der Antennenkreiskonstanten praktisch unabhängig oder nur wenig abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstanten bzw, die Schaltelemente des Antennenkreises und der Kopplung so eingestellt werden, daß in normalem Zustand der Anlage, für welchen die auf das Ende der Energieleitung übertragene Impedanz des Antennenkreises in an sich bekannter Weise auf den Wellenwiderstand der Energieleitung abgeglichen ist, der Strom im Antennenkreis in seiner Phase gegenüber der auf den Antennenkreis von der Kopplungsvorrichtung übertragenen Spannung um einen Winkelbetrag (ψ) verschoben ist, der gleich der elektrischen Länge {Θ -\- η π) der . Energieleitung ist.
2. Richtsystem aus einem oder mehreren Antennenpaaren mit Einzelantennen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem von einem gemeinsamen Schwingungserzeuger über zwei zugehörige Energieleitungen gespeisten Antennenpaar die beiden Antennen in einem bestimmten Phasenverhältnis zueinander gehalten werden, indem jede Antenne der sie speisenden Energieleitung entsprechend dem Anspruch 1 angepaßt ist.
3. Richtsystem nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antenne, oder mehrere, so abgestimmt ist, daß der in ihr fließende Strom gegenüber der ihr zugeführten Spannung um einen Betrag in der Phase verschoben ist, der gleich der tatsächlichen elektrischen Länge ihrer Energieleitung plus der gewünschten Phasenverschiebung zwischen den Antennenströmen ist, und daß in Reihe mit der entsprechenden Energieleitung eine künstliehe Leitung liegt, deren elektrische Länge gleich der gewünschten Phasenverschiebung ist. . .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen