Ausstrahlung, Ausbreitung und Aufnahme Elektromagnetischer Wellen

294 Pages·1940·22.012 MB·German

by  Dr. L. Bergmann (auth.), Dr. L. Bergmann, Dr. H. Lassen (eds.)

LEHRBUCH DER DRAHTLOSEN
NACHRICHTENTECHNIK
HERAUSGEGEBEN VON
NICOLAI v. KORSHENEWSKY UND WILHELM T. RUNGE
BERLIN BERLIN
ZWEITER BAND
AUSSTRAHLUNG, AUSBREITUNG UND AUFNAHME
ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1940
AUSSTRAHLUNG, AUSBREITUNG
UND AUFNAHME
ELEKTROMAGNETISCHER
WELLEN
BEARBEITET VON
DR. L. BERGMANN DR. H. LASSEN
UND
BRESLAU' BERLIN
MIT 285TEXTABBILDUNGEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1940
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER ÜBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
COPYRIGHT SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG 1940
URSPRÜNGLICH ERSCHIENEN BEI JULIUS SPRINGER IN BERLIN 1940
SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 1ST EDITION 1940
ISBN 978-3-662-27840-6 ISBN 978-3-662-29340-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-29340-9
Inhaltsverzeichnis.
Ausstrahlung und Aufnahme elektrischer Wellen.
Von Dr. L. BERGMAn,
o. Professor der Physik an der Technischen Hochschule Breslau.
I. Grundbegriffe. Seite
a) Der offene Schwingungskreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1
b) NichtquasistationäreStromverteilung;dynamische Kapazität und Selbstinduktion 2
c) Eigenwelle der Antenne; Verkürzungs- und Verlängerungszahl . . . 2
d) Strahlungsleistung; Strahlungswiderstand . . . . . . . . . . . . . 2
e) Wirkwiderstand und Wirkungsgrad der Antenne . . . . . . . . . 3
f) Effektive Höhe der Antenne; Antennenformziffer; Meteramperezahl 3
11. Sendeantennen.
A. Antennen mit rotationssymmetrischer Strahlung 4
1. Der HERTzsche Dipol . . . 4
2. Der ABRAHAMsche Erreger. . . . . . . . . 12
3. Die Stabantenne . . . . " . . . . . . . . 13
4. Die Marconiantenne . . • . . . . . . . . . 21
5. Feldberechnung beliebig gestalteter Antennen 23
6. Mit Selbstinduktion und Kapazität beschwerte Antennen . 32
7. Verschiedene Antennenausführungen für ungerichtetes Senden. . . . 39
8. Die Erdung der Antennenanlage und der Einfluß der Leitfähigkeit der Erde
auf die Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
B. Antennen für gerichtete Strahlung. . . . . . . . . 50
1. Die Richtwirkung von zwei bzw. drei Vertikalantennen . 51
2. Die Rahmenantenne 54
'3. Die Horizontalantenne . . . • . . . . . . . . . . . . 57
4. Die geknickte Marconiantenne . . . . . . . . . . . . 59
5. Die Dipolreihe, Dipolgruppe und Dipolebene • . . . . . 62
6. Die praktische Ausführung der aus Dipolebenen aufgebauten Richtantennen 69
7. Winkelantennen 73
8. Reflektorantennen .................. 75
9. Optische Bündelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
C. Antennen mit Richtstrahlung für besondere Zwecke 83
1. Die Kurzwellen-Rundstrahlenantenne 83
2. Schwundmindemde Antennen. . . . . . . 85
a) Die Zylinderantenne . . . . . . . . . 86
b) Die Scheibenantenne . . . . . . . . . 89
c) Die Halbwellenantenne mit Stromknoten 91
d) Die Höhendipolantenne . . . . . . . . 92
3. Kurzwellenantenne mit Raumresonator nach WEYRICH 94
4. Richtantennen für Leitstrahlanordnungen (Funkbaken) 97
111. Die Empfangsantennen.
A. Antennen für ungerichteten Empfang 98
1. Das Reziprozitätstheorem • • . . . . . 99
2. Die Hochantenne für ungerichteten Empfang .. 99
a) Spannung und Stromstärke in der abgestimmten Hochantenne 99
b) Energiebilanz der Empfangsantenne . . . . ... . . . . 101
c) Rückwirkung der Empfangsantenne auf das primäre Feld 105
B. Empfangsantennen für Richtempfang . . . . . . . . . 108
1. Die allgemeine Gleichung der Richtcharakteristik. . . . . . 108
2. Die Kombination von zwei bzw. drei ungerichteten Vertikalantennen 110
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
3. Die Rahmenantenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4. Die Kombination von Rahmen und ungerichteter Antenne 116
5. Ein- und Mehrfachgoniometer . . . . . . . . . . . . . 119
a) Doppelrahmenanordnung, bestehend aus zwei Kreuzrahmen mit Gonio-
metern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
b) Die Doppelkardioidenanordnung mit zwei Goniometern. 121
6. Die geknickte Marconiantenne . . 123
7. Die Wellen- oder Beverageantenne . . 124
8. Weitere Richtempfangssysteme . . . . 129
C. Empfangsantennen für Peilzwecke . 132
1. Die Peilung mit Rahmen und Goniometer. 132
2. Die Adcockpeilanlage . . 135
3. Der Doppelrahmenpeiler 137
Schrifttum. . . . . . 138
Die Wellenausbreitung.
Von Dr. H. LASSEN, Berlin-Dahlem.
Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
I. Theorie der Wellenausbreitung . . . . . . . . . . . 143
A. Die Ausbreitung in homogenen Körpern . . . 143
1. Die Feldgleichungen. Einführung der komplexen Rechnung. Komplexer
Brechungsindex . . . . . . . . . . . . . 143
2. Die Ausbreitung im Isolator . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3. Die Ausbreitung in Körpern mit Leitfähigkeit (Halbleitern). . . . . . . 146
4. Der komplexe Brechungsindex eines homogenen ionisierten Gases .... 147
5. Die Ausbreitung in einem homogenen ionisierten Gas unter dem Einfluß eines
äußeren Magnetfeldes bei beliebiger Ausbreitungsrichtung . 149
a) Der komplexe Brechungsindex. . . 149
b) Die Schwingungsform . . . . . . . 152
B. Die ZENNEcKsche Oberflächenwelle 154
1. Allgemeine Lösung . . . . . . . . 154
2. Die Richtung des elektrischen Feldes . 155
3. Das Eindringen in die Erde . . . . . 156
4. Die Ausbreitungsdämpfung der Oberflächenwelle 157
5. Oberflächenwelle und Raumwelle . . . . . . . 158
C. Ausbreitung über die ebene Erde. (Theorie von A. SOMMERFELD.) 158
1. Allgemeine Lösung ...................... 158
2. Der Idealfall unendlich großer Leitfähigkeit der Erde . . . . . . 160
3. Endformeln bei endlicher Leitfähigkeit der Erde. Die Dämpfungsfunktion.
Abhängigkeit von den Erdbodeneigenschaften und der Wellenlänge 161
4. Zahlenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
D. Die Ausbreitung über die Erdkugel. (Theorie von B. VAN DER POL und
H. BREMMER.) ........................... 164
1. Allgemeine Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
2. Darstellung des Feldes als Summe der primären und der an der Erdoberfläche
reflektierten \Velle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3. Praktische Formel für beliebige Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante und
Wellenlänge. Sender und Empfänger auf der Erde. 168
4. Die Ausbreitung in großen Entfernungen . . . . 174
S. Erhöhte Aufstellung des Senders und Empfängers 174
6. Die optische Sichtweite . . . . . . . . . . 178
E. Die Brechung in der unteren Atmosphäre. . 178
1. Die Dielektrizitätskonstante der Luft . . . . . . 178
2. Darstellung der Brechung durch einen vergrößerten äquivalenten Erdradius 179
3. Berechnung der Strahlenbahnen 180
4. Vertikaldiagramme der Feldstärke . . . . . 183
F. Die Ionosphäre . . . . . . . . . . . . . . 184
1. Die Zusammensetzung der hohen Atmosphäre 185
2. Die Absorption kosmischer Strahlung in der Atmosphäre 186
3. Die Wiedervereinigung.. . . . . . . . . . . . . . . . 187
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
4. Freie Elektronen, Anlagerung ... . . ..... . 188
5. Der zeitliche Verlauf der maximalen Elektronendichte 189
6. Die ionisierende Strahlung . . . . . . . . . . . . . 190
7. Der Zusammenhang mit den Schwankungen des Erdmagnetfeldes, dem Polar
licht und der Sonnentätigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
G. Der Einfluß der Ionosphäre auf die Wellenausbreitung ...... 192
1. Die Ausbreitung der kurzen Wellen in der Ionosphäre. Gültigkeit des Bre-
chungsgesetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
2. Die Reichweite der kurzen Wellen bei einmaliger Reflexion in der Ionosphäre 194
3. Die Feldstärke der kurzen Wellen bei einmaliger Reflexion in der Ionosphäre 197
4. Die Reflexion an der Erdoberfläche . . . . . . ...... . 198
5. Femübertragung durch Zickzackreflexion. Berechnung der Feldstärke für
kurze Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
6. Mehrfachwege. Allgemeine Eigenschaften der Kurzwellenausbreitung . 201
7. Die Dämpfung in der Ionosphäre. . . . . . . . . . . . . . . .. 203
8. Die Ausbreitung mittlerer und langer Wellen . . . . . . . . . .. 205
a) Die Feldstärke der Luftwelle bei einmaliger Reflexion an der Ionosphäre 205
b) Die Theorie von G. N. WATSON 205
H. Die Ionosphären-Forschung. . . . . . . . . . 207
1. Die Interferenzmethode . . . . . . . . . . . . 207
2. Die Signalmethode. Scheinbare und wahre Höhe. 208
3. Der Zusammenhang zwischen wahrer und scheinbarer Höhe der Reflexions-
stelle .......................... .... 209
4. Scheinbare und wahre Höhe in Abhängigkeit von der Tageszeit (Zahlen beispiel) 212
5. Bestimmung der Trägerdichte. Grenzwelle . . . . . . . 213
6. Anwendung der Echomessungen auf die Fernübertragung . . . : . .. 214
11. Beobachtungen und Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 215
A. Die Ausbreitung der mittleren und langen Wellen (200-20000m). 216
1. Die Ausbreitung langer Wellen in großen Entfernungen über Seewasser. (Die
Formel von AUSTIN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 216
2. Durchschnittskurven für die Feldstärke der mittleren Wellen (20<r-2000 m) 218
3. Schwunderscheinungen bei mittleren Wellen .............. 222
4. Praktische Folgerungen aus den Ausbreitungsbedingungen. Schwund
mindernde Antennen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5. Der Zusammenhang der Ausbreitung der langen Wellen mit den erdmagneti-
schen Störnngen und der Sonnenfleckenzahl . . . 227
B. Die Ausbreitung der kurzen Wellen (10-200m). 228
1. Die Abhängigkeit von der Tages- und Jahreszeit 229
2. Günstige Frequenzen . . . . . . . . . . 231
3. Die Lautstärke in Abhängigkeit von der Entfernung. Sprungentfernung.
Tote Zone . . . . . . . . . 232
4. Mehrfachzeichen (LI t ~ 10-3 sec) 235
5. Rund-um-die-Erde-Signale . . . 237
6. Schwunderscheinungen durch Interferenz 239
7. Schwunderscheinungen durch Änderung des Polarisationszustandes . 242
8. Störungen der Kurzwellenausbreitung im Zusammenhang mit erdmagnetischen
Störungen ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9. Die MÖGELschen Kurzstörungen . . . . . . . . . . . . . . . .... 247
10. Der Einfluß der 11 jährigen Sonnentätigkeitsperiode auf die Kurzwellen-
ausbreitung .............. 248
C. Die Ausbreitung der ultrakurzen Wellen 249
1. Die Zentimeterwellen . . . . . . . . . . . 249
2. Die Dezimeterwellen . . . . .. . . . . . 249
3. Beobachtungen im Flugzeug mit Meterwellen 251
4. Interferenzfelder' . . . . . . . . . . 253
5. Die Ausbreitung im offenen Gelände 254
6. Die Ausbreitung in Stadtgebieten .. 256
7. Schwunderscheinungen . . . . . . . 257
D. Ergebnisse der Ionosphärenforschung 260
1. Die Absorption in der Ionosphäre 261
2. Die Doppelbrechung in der Ionosphäre 262
3. Der Polarisationszustand der Luftwelle 265
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
4. Die Struktur der Ionosphäre in Abhängigkeit von der Tages- und Jahreszeit 266
S. Die Änderung der Trägerdichte (bzw. Grenzfrequenz) mit der 11 jährigen
Sonnenfleckenperiode . . . . . . . . . . . . . . . 269
6. Ionosphären-Störungen durch solare Korpuskularstrahlen 270
7. Die MÖGELschen Kurzstörungen 271
8. Die abnormale E-Ionisierung. . . . . 271
9. Rasche Schwankungen ...... . 272
10. Echomessungen und Fernübertragung . 272
Einhei ten . . . . . . . . 276
Schrifttum. . . . . . . . 278
Namen- und Sachverzeichnis 281
Ausstrahlung und Aufnahme elektrischer
Wellen.
Von Professor Dr. L. BERGMANN, Breslau.
I. Grundbegriffe.
a) Der offene Schwingungskreis.
Einen der wichtigsten Bestandteile einer Anlage für den drahtlosen Nach
richtenverkehr bildet der Luftleiter oder die Antenne, deren Aufgabe es ist, auf
der Sendeseite die hochfrequenten elektrischen Schwingungen in Form elektro
magnetischer Wellen in den Raum hinaus auszustrahlen und diese Wellen auf
der Empfangsseite wieder aufzunehmen, um sie als hochfrequente W0echse lströme
an den Empfänger weiterzugeben. Zum Verständnis der Wirkungsweise der
Antennen gehen wir von dem in Abb. 1 gezeichneten geschlos-
senen Schwingungskreis aus, der aus der Selbstinduktion L und
der ihr parallelgeschalteten Kapazität C besteht. Wir nehmen L.
an, daß - wie dies im allgemeinen auch der Fall ist - die
räumlichen Abmessungen dieses Kreises klein gegen die Wellen-
länge der in ihm fließenden Wechselströme sind. In diesem Fall Ab:ct: •. Geschl::ner
haben wir es mit einem quasistationären Kreis zu tun, in dem wmgungs 1S.
der Strom nur von der Zeit, nicht aber von dem Ort auf dem Leiter abhängig
ist. Die elektromagnetische Energie des Kreises ist bald als elektrische Energie
im Kondensator, bald als magnetische Energie des Kreises in der Selbstinduk
tion aufgespeichert. In größerer Entfernung von diesem Kreis ist keinerlei
elektromagnetisches Feld vorhanden, denn man kann in jedem Augenblick zu
jedem Stromelement des Kreises ein oder mehrere andere finden, so daß deren
Ströme bei gleicher Stärke entgegengesetzte Richtung haben. In einem äußeren
Punkt, dessen Entfernung vom Schwingungskreis groß gegen die Wellenlänge und
damit auch groß gegen die Abmessungen des Kreises ist, ergeben die betrachteten
Stromelemente das elektromagnetische Feld Null. Ein
solcher Kreis verliert also durch Strahlung keine Energie.
Die Verhältnisse werden aber sofort anders, wenn
man entweder die Selbstinduktion der Spule auf einen
größeren Rahmen verteilt, dessen Abmessungen mit
der Wellenlänge vergleichbar sind, oder wenn man die
Platten des Kondensators C so weit auseinander ent
fernt, daß ein Gebilde von der Form der Abb. 2 ent
steht. Die gestrichelten Linien dieses offenen Schwin- Abb.2. Elektrischer Kraftlinien-
gungskreises deuten den ungefähren Verlauf der elek- verIaufbei einem offenenSchwin
gungskreis.
trischen Kraftlinien an; die magnetischen Kraftlinien
sind als Kreise um die Leiterachse zu denken. Man übersieht sofort, daß bei
einem solchen Leitergebilde das elektromagnetische Feld in größerer Entfernung
vom Leiter keineswegs den Wert Null hat; es ist vielmehr um den Leiter an jeder
Stelle des Raumes ein endlicher Wert des elektrischen und magnetischen Feldes
vorhanden, so daß die Möglichkeit einer Abstrahlung elektromagnetischer Energie
in mehr oder weniger großem Maße besteht.
Lehrb. draht!. Nachrichtentechnik. II. 1
2 Grundbegriffe.
b) Nichtquasistationäre Stromverteilung ; dynamische Kapazität
und Selbstinduktion.
Wichtig ist, daß bei solchen offenen Leitergebilden, die wir im folgenden kurz
als Luftleiter oder Antennen bezeichnen, die Stromverteilung nichtquasistationär ist.
Als Beispielistin der Abb. 3 die Strom-und Spannungsverteilung eines
, geraden Leiters von der Länge einer halben Wellenlänge eingezeichnet.
Infolge dieser nichtquasistationären Stromverteilung muß man bei der
U'
1 Bestimmung der Kapazität einer Antenne zwischen der statischen
I
I I Kapazität Cs, die einer gleichmäßigen Stromverteilung entspricht
I und z. B. in einer Brückenschaltung mit niederfrequentem Strom
gemessen werden kann, und der dynamischen oder wirksamen Kapa
zität CA unterscheiden, die je nach den verschiedenen Schwingungs
zuständen, die eine Antenne annehmen kann, verschieden und stets
kleiner als die statische ist. Dasselbe gilt für die Selbstinduktion
Abb. 3. Strom der Antenne. Für stationäre Stromverteilung ist die stationäre Selbst
(i) und Span
nungsverlauf induktionLs, für nichtstationäre die wirksame oder dynamische Selbst
S(uta) bbaenit eeninneer. induktion LA in Rechnung zu setzen, wobei auch wieder LA < Ls ist.
c) Eigenwelle der Antenne; Verkürzungs- und Verlängerungszahl.
Jeder Luftleiter hat eine bestimmte Eigenwelle ÄA, die sich nach der KIRCH
HOFF-THoMsoNschen Gleichung zu
ÄA = 27fYLA· CA
berechnen läßt. Es ist: ÄA = CY L s . Cs, wobei 4 < C< 27f ist. Diese längste
Eigenwelle einer Antenne - es gibt außer ihr auch noch eine ganze Reihe kürzerer
Eigenwellen, worauf in Abschnitt II auf S.14 noch ausführlicher eingegangen
wird - läßt sich verkürzen durch Einschalten eines Kondensators in die An
tenne, wodurch die Betriebskapazität verkleinert wird. Die Eigenwelle der
Antenne nimmt dann den Wert ÄI; = ßÄ.A an, wobei ß < 1 als Verkürzungszahl
bezeichnet wird. Analog ist durch Einbau einer Selbstinduktion in die Antenne
eine Erhöhung der Eigenwelle auf den Wert
II = Y ·lA
möglich, wobei y > 1 die Verlängerungszahl angibt.
d) Strahlungsleistung ; Strahlungswiderstand.
Die von einer Antenne abgestrahlte Leistung läßt sich mittels des POYNTING
sehen Satzes bestimmen. Die durch ein Flächenelement dF hindurchtretende
StrahlungdNs ist bekanntlich: 4:
dNs = [l~~] dF,
wenn (i!; und ~ die Werte der elektrischen bzw. magnetischen Feldstärke am
Ort des Flächenelementes sind. (i!; und ~ ergeben sich aus den MAXWELLschen
Gleichungen. Die gesamte Strahlungsleistung N s der Antenne erhält man dann
durch Integration über eine Kugelfläche, in deren Mittelpunkt sich der Strahler
befindet.
Es liegt nun nahe, für diese Strahlungsleistung einen Widerstand Rs, den
sog. Strahlungswiderstand, verantwortlich zu machen, dessen Wert sich aus der
Gleichung: N • R
s=ieff s
bestimmt, in der i den effektiven Wert des im Strombauch der Antenne fließen
eff
den Hochfrequenzstromes bezeichnet.