DK 621.396.677.71 FORSCH U N GSB ER ICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Herausgegeben durch das Kultusministerium Nr.724 Professor Dr. Gottfried Eckart Dr. Friedrich Gemmel Thilo Conrady Bernd Scherer Institut für angewandte Physik und Elektrotechnik der Universität des Saarlandes, Saarbrücken Sonderfragen bei Breitband-Schlitzantennen Als Manuskript gedruckt SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1959 ISBN 978-3-663-04129-0 ISBN 978-3-663-05575-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-05575-4 Übe r s ich t Nach einem von G. ECKART verfaßten Bericht über die im Institut laufen den Arbeiten zu dem gestellten Thema, die mit freundlicher Unterstützung des Ausschusses für Funkortung durchgeführt werden, geben die anderen Verfasser Darstellungen ihrer speziellen Arbeiten und Ergebnisse. G 1 i e der u n g Überblick über Methode und Programm • . . • . . . . . • • . • S. 4 Gottfried ECKART Verlustbehaftete Vierpole im Hinblick auf gekoppelte Schlitze S. 5 Dr.rer.nat.Friedrich GEMMEL Eine unmittelbare experimentelle Realisation einer Breit- bandantenne • S. 21 Thilo CONRADY Impedanz einer Schlitzantenne in Abhängigkeit von der Blech- größe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S. 29 Bernd SCHERER Seite 3 Überblick über Methode und Programm Schlitzantennen wurden sowohl in Deutschland als auch in alliierten Ländern zu Kriegsende bereits studiert. Sie stellen, wie jede andere Antennenanordnung, das Breitbandproblem. Dafür bieten sich ganz natür lich folgende LBsungswege. 1) Anordnung mehrerer gekoppelter verschieden abgestimmter Schlitze. Diese Methode erfordert zu ihrer systematischen Durchdringung ein~ gehende Studie über verlustbehaftete cm-Wellen-Vierpole, -6 Pole, -2 n Pole: Ein Schlitzpaar kann als ein mit Strahlungs\viderständen als VerlustQuelle versehener Vierpol gelten, Schlitztripel als ein 6-Pol u.s.f. Es Hurden von Herrn GEMMEL in seiner Dissertation verlustbehaf tete Vierpole behandelt zunächst unter Beschränkung auf solche Schal tungen, die durch einfache Messungen und mBglichst mit Kurzschluß schiebermethoden zu charakterisieren sind. Dabei wurden die Grenzen ihrer Anwendbarkeit gezeigt. Der folgende Beitrag gibt darüber ge naue Auskunft. 2) Es erschien sinnvoll, das Problem direkt experimentell anzugehen. Nach Vorbereitungen von Herrn RUPPERSBERG hat Herr CONRADY eine geeig nete Ankopplung entwickelt, deren Resultate günstig erscheinen. Koppelt man den Schlitz, der als eine Parallelschaltung von 2 kurz geschlossenen Leitungen mit (Strahlungs) Verlusten gedacht werden kann, unsymmetrisch so an, daß die eine Leitung sehr viel kürzer ist als die andere, so werden die Resonanzen des längeren Endes durch die Parallelschal tung ,,'ei tgehend abgeschwächt, so daß man gute Brei t bandeigenschaften erzielen kann. Herr CONRADY berichtet im folgenden über seine Arbeit. 3) Es ist zu hoffen, daß diese Ergebnisse erheblich verbessert werden kBnnen, wenn man eine Meinkesche inhomogene Anpassungsleitung hinzu nimmt. Eine Diplomarbeit (Herr JÖTTEN) ist im Anlaufen begriffen. 4) Die bisher genannten Arbeiten befassen sich experimentell mit Schlitzen in ebenen Blechen. Nun hat inzwischen Herr SCHERER Messun gen vorgenommen über Schlitze in Zylindern und den Einfluß des Zylin der-Durchmessers studiert. Weitere Messungen der Stromverteilung um den Schlitz beginnen. 5) Es laufen gegenwärtig eine Reihe anderer Studien, tiber die später berichtet werden soll, auch tiber dielektrische Antennen. Ebenfalls wird eine Anordnung zur Messung von Richtcharakteristiken entwickelt. Sei te 5 Eine Erweiterung der Weißflochschen Transformatorsatzmethode des verlust losen Vierpols auf verlustbehaftete Schaltungen 1. Einleitung In der folgenden Arbeit wird untersucht, inwieweit man Kurzschluß schiebermeßmethoden, in Analogie zur Weißflochschen Transformatorsatz kurve des verlustlosen Vierpols,anwenden kann, um verlustbehaftete Vier pole zu charakterisieren. Man kann dabei einmal den Ort des Spannungs knotens auf der Eingangsleitung des Vierpols über dem Ort des Kurz schlusses auf der Ausgangsleitung auftragen (die Phasenkurve der Kürze Iv halber genannt) oder den Wert des Anpassungsfaktors V . über dem m1n max Ort des Ausgangskurzschlusses (Betragskurve genannt). Wenn man über eine Anlage verfügt, die die eine oder die andere dieser Kurven automatisch aufzeichnet, so kann man bei nicht allzu kompliziertem Auswerteverfah ren die Methode für Serienuntersuchungen benutzen. Die folgende Untersuchung zeigt, daß die Betragskurve in allen Fällen ausreicht, um aus ihrem Verlauf alle Kenngrößen des Vierpols zu bestim men. Will man dagegen aus dem Verlauf der Phasenkurve den Vierpol be schreiben, dann muß man zusätzlich, zur Festlegung der Bezugsstellen auf der Eingangs- und Ausgangsleitung, die Kurzschlußschieberstelle auf der Ausgangsleitung ermitteln, die auf der Eingangsleitung den minimalen Anpassungsfaktor verursacht, sowie den Wert dieses Anpassungsfaktors selbst. Bei symmetrischen Vierpolen und Vierpolen mit reinen Serien- oder Paral lelverlusten (R = 0 oder R = im Weißflochschen Ersatzschaltbild [1 J) 00 s p braucht zusätzlich zur Phasenkurve nur noch der Kurzschlußschieberort für minimalen Anpassungsfaktor bestimmt zu werden [2J. In einem weiteren Kapitel wird ein Korrekturverfahren angegeben, das es ermöglicht, die Genauigkeit der gemessenen Vierpolkenngrößen zu erhöhen und die Grenze der zufälligen Fehler anzugeben, innerhalb deren die er mittelten Kenngrößen liegen. Seite 7 2. Eine Analyse verlustbehafteter Vierpole aus Spannungsknotenverschie bungen Ein verlustbehafteter Vierpol läßt sich durch das Ersatzschaltbild der Abbildung 1 darstellen [3J. T.' 'r r.' 1 2 I I L Zy jB z w A b b i 1 dun g 1 Es setzt sich aus folgenden Schaltelementen zusammen: Einer homogenen Leitung der Länge 11 mit dem Wellenwiderstand Z , den Serien- und ~, Parallelverlustwiderständen Rund R , einer Blfndimpedanz einem Z s p J 2 idealen Transformator mit der Transformation 1 : k, wobei k = n . ~ x und 1 : das Windungsverhältnis, und einer zweiten homogenen Leitung der Länge 12 mit dem Wellenwiderstand Z . Die Impedanzen R ,R und 1 x s P ~B sind alle auf den Wellenwiderstand Z normiert. Ist der Vierpol J y zwischen homogenen Leitungen angeschlossen, dann lassen sich die Bezugs- querschnitte T und T auf den Zuleitungen so wählen, daß 1 = 1 = 0 1 2 1 2 gilt. Zwischen den Bezugsquerschnitten T1 und T2 leistet der Vierpol folgende Impedanztransformation: R p ( 1 ) z R + s 1 + R (jB + k ) P w Seite 8 y y-o x-o )( I 1 I •I • T ,... I I T ~ I I I I [ I I I I ~\lJ I I I I I I I I I I I f---.-..A I <?-- I I T I I I Z W A b b i 1 dun g 2 Bringt man an eine Stelle x der Ausgangsleitung einen Kurzschluß, Abbil dung 2 (x wird in Richtung auf den Vierpol positiv gezählt und der Vier polausgang T2 soll in Xo liegen), dann beträgt im Querschnitt T2 die Impedanz w = _j tg 2 Tt (x - xo) A x AX ist die Wellenlänge auf der Ausgangsleitung. An einer Stelle y der Eingangsleitung befindet sich dann ein Spannungsminimum (die positive Richtung von y zeigt auf den Sender zu und der Vierpoleingang T befin 1 det sich an der Stelle y ). Die Impedanz am Ort des Spannungsminimums o hat den Wert V . mln r = < 1 V max und am Vierpoleingang gilt: 2 Tt (y - yo) r - j tg A y z = - 2lt (y - Yo) 1 j r tg A y A ist die Wellenlänge auf der Eingangsleitung. Setzt man Gleichung (2) und (4) in Gleichung (1) ein,trennt Real- und Imaginärteil und Seite 9 berechnet aus dieser Gleichung r und ctg y, dann findet man: (R + R )2 _ R 2) . x s P - 1 ( 1 [k ctg (i' - o)+ BJ 2 s R 2 (5) ctg 2 ( Y - y )= p 0 ,.... (x 2 [k ctg - x ) + BJ. 0 (R + R )2 + 1 (1 + R!) • [k ctg (x - Xo) + BJ2 + -_s-R"""2-=P--- (6 ) P = r R + R R [k (x - x BJ 2 s s c t g 0) + +---,...=..P 2 R p Zur Abkürzung wurde gesetzt: 'x" y Aus dem Verlauf der Kurven nach Gleichungen (5) und (6), die durch Mes sungen festgelegt werden können, lassen sich die Kenngrößen R , R , k s p und B des Vierpols bestimmen. 11 und 12 findet man, indem man in einer ersten Messung den Vierpol am Ausgang T'2 kurzschließt und ihn in einer 2.Messung durch einen Kurzschluß im Querschnitt T'1 ersetzt und in beiden Fällen den Ort des Spannungsminimums auf der Eingangsleitung ermittelt. y Y / / / / / ~ / / / / / Yo -------,-- // / 1 / / I 1 / / : I / / I I I / / Ym,2 - - - - t-- - - - - - -1-- -I - / / I I / / 1 1 / / x / A b b i 1 dun g 3a A b b i 1 dun g 3b Seite 10 x Zur Auswertung von Gleichung (6) trägt man r als Ordinate über als Abszisse auf. Die Kurve hat im allgemeinen den in der Abbildung 3 a ge gebenen Verlauf. Im allgemeinen heißt: der Grenzkreis des Vierpols soll nicht durch den Wellenwiderstand der Eingangsleitung gehen, oder mit einem Fehlanpassungskreis der Eingangsleitung zusammenfallen. Über den Verlauf des Anpassungsfaktors r gemäß Gleichung (6) gilt folgendes: x - x Für = 0 hat r seinen kleinsten Wert o r . R . mln s Für - ....., (8 ) x' - x = arc ctg (_ 1!) o k hat r seinen größten Wert r = R + R . max s p Durch die Gleichungen (1), (8) und (9) sind die Größen R ,R undB- s p k bereits bestimmt. Für den Anstieg der Kurve in einem ihrer Schnitt R punkte mit der Geraden r R + --12. gilt m s 2 a k2 (10) B wobei x die Abszisse des Schnittpunktes ist, c = - - und m k J' 2 2 r ~(1 + R 2).(R + R ) (R + R )2 m s s E s p a r 2 - 1 R2 • R2 R2 R + m s p p s x ) - . [1 2 x )] X [ctg (im - 0 c] + ctg (i'm - 0 Mit den Gleichungen (S) und (10) sind dann auch kund B bestimmt. Seite 11