DE891402C - Elektromagnetischer Resonator - Google Patents

Elektromagnetischer Resonator

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DE891402C
DE891402C DEP4025D DEP0004025D DE891402C DE 891402 C DE891402 C DE 891402C DE P4025 D DEP4025 D DE P4025D DE P0004025 D DEP0004025 D DE P0004025D DE 891402 C DE891402 C DE 891402C
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators

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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Description

  • Elektromagnetischer Resonator Bekanntlich kann man einen elektromagnetischen Resonator erhalten, indem man die Platten eines Kondensators der Kapazität C mit den Enden einer Spule der Selbstinduktion L verbindet. Die Schwingungsdauer eines solchen Resonators ergibt sich aus der Beziehung T = 2 n 1/L . C . Für kurze Wellen und vorzugsweise für Dezimeter- und Zentimeterwellen sind ferner elektromagnetische Resonatoren bekannt; welche aus offenen oder geschlossenen Leiterkreisen mit stetig über die Leiter verteilter Kapazität und Selbstinduktion bestehen.
  • Der erfindungsgemäße elektromagnetische Schwingungskreis für kurze Wellen, insbesondere Dezimeter-oder Zentimeterwellen, ist dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem von metallischen Flächen allseitig begrenzten Hohlkörper besteht, der mindestens in zwei Dimensionen Abmessungen von der Größenordnung der Betriebswellenlänge aufweist, so .daß ein wesentlicher Teil des die Eigenfrequenz mitbestimmenden elektrischen Feldes aus einem elektrischen Wirbelfeld, insbesondere mit geschlossenen elektrischen Wirbellinien, besteht.
  • Es ist bereits bekannt, Ultrakurzwellenanordnungen innerhalb eines praktisch völlig geschlossenen Gehäuses anzuordnen. Hierbei dient das Gehäuse jedoch lediglich zur Abschirmung und nicht als Schwingungskreis wie beim Erfindungsgegenstand. Der Schwingungskreis ist bei der bekannten Anordnung vielmehr gesondert als Drahtspirale innerhalb des Gehäuses vorgesehen. Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, den von zwei konzentrischen Elektroden begrenzten Entladungsraum von Ultrakurzwellenröhren durch entsprechende Bemessung der axialen Länge der Elektroden bzw. von Elektrodenansätzen als Resönator auszubilden. Der gegenseitige Abstand der Elektroden ist dabei jedoch im allgemeinen sehr klein gegenüber der z. B. 2 betragenden Länge des Resonators, und ferner verlaufen bei der älteren Anordnung die elektrischen Feldlinien von der einen Elektrode zur anderen. Im Gegensatz hierzu handelt es sich beim Erfindungsgegenstand um einen elektromagnetischen Schwingungskreis, der mindestens in zwei Dimensionen Abmessungen von der Größenanordnung der Wellenlänge aufweist, so daß sich elektrische Wirbellinien ausbilden können.
  • Die Erfindung sei zunächst an Hand der Abb. i bis q.b näher erläutert. Die Abb. i stellt im Grund-und Aufriß einen Metallring und die Abb. 2 einen Metallzylinder dar. Denkt man sich den Metallring bzw. den Metallzylinder an einer Stelle aufgeschnitten und an den Schnittflächen von einem Wechselstrom gespeist, so entsteht ein magnetischer Dipol mit der magnetischen Achse X-X. Sind die Abmessungen des Ringes klein im Vergleich zu der Wellenlänge der zur Anregung benutzten Schwingung, so wird die Fläche des Ringes von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzt, das auf der ganzen Innenfläche des Ringes das gleiche Vorzeichen hat. Bei höheren Frequenzen macht sich lediglich eine ungleichförmige Verteilung des Stromes auf dem Leiter durch den Skiri=Effekt bemerkbar, wobei der Strom hauptsächlich auf der der Achse zugekehrten Oberfläche des Ringes oder Zylinders fließt. Bei weiterer Steigerung der Frequenz des Wechselstromes kommt man nun überraschenderweise in ein Gebiet, in dem die Stromamplituden auf dem Ring ein Maximum werden, der Ring also Resonanzeigenschaft zeigt. Wird dieses Maximum, wie in Abb. 3 dargestellt, bei einer Frequenz V1 erzielt, so zeigen sich bei weiterer Steigerung der Frequenz weitere Maxima V2, V3, V4. . . , die. offenbar als harmonische Frequenzen zu der Grundfrequenz V, anzusprechen sind. Dieses Verhalten ist um so überraschender, da dieser Resonanzkreis zunächst keine für das Zustandekommen der Resonanz notwendige Kapazität aufweist. Die Resonanzerscheinungen zeigen sich ebenso, wenn der Drahtkreis bzw. Zylinder vollständig geschlossen und beispielsweise induktiv an das erregende Feld angekoppelt oder durch eine freie elektromagnetische Welle erregt wird.
  • Wie die näheren Untersuchungen gezeigt haben, handelt es sich hier um einen Resonator, bei dem das die Eigenfrequenz mitbestimmende elektrische Feld zu einem wesentlichen Teil aus einem elektrischen Wirbelfeld besteht, dessen Feldlinien im wesentlichen senkrecht zu den magnetischen Feldlinien und koaxial vorzugsweise innerhalb des Drahtkreises oder Zylinders verlaufen. Dieses Wirbelfeld ist also für das Zustandekommen der Resonanz maßgebend, und es findet, wie die näheren Untersuchungen zeigen, ein periodischer Wechsel zwischen der Energie dieses elektrischen Wirbelfeldes und der magnetischen Feldenergie statt, ähnlich wie bei den bekannten elektromagnetischen Resonatoren, bei denen die elektrischen Feldlinien offen sind -und an elektrischen Ladungen auf den zur Bildung der Resonatoren benutzten Leitern endigen. Es handelt sich also nicht um die bereits bekannte Erscheinung der Schwingung von geschlossenen Leiterkreisen, wobei Spannungsknoten und Bäpche auf dem Leiter auftreten und die elektrischen Feldlinien von einem Teil des Leiters zu einem anderen verlaufen.
  • Über den Intensitätsverlauf des elektrischen und magnetischen Feldes in dem Feldraum der in Abb. _ und 2 dargestellten Resonatoren geben die Kurven in Abb. q.a und 4.b näheren Aufschluß. Die Kurven in Abb. q. a stellen den Intensitätsverlauf des im Grundriß in der Zeichenebene verlaufenden elektrischen Feldes und die Kurven in Abb. q b den Intensitätsverlauf des im Aufriß in der Zeichenebene verlaufenden magnetischen Feldes über den Durchmesser der ringförmigen Leiter dar. Der Zeitmoment i zeichnet sich dadurch aus, daß die gesamte Energie des Resonators in Form eines elektrischen Wirbelfeldes innerhalb der ringförmigen Leiter aufgespeichert ist. Da diese Wirbel konzentrisch zu den ringförmigen Leitern verlaufen, an ,der Oberfläche der Leiter aber die Grenzbedingung erfüllt sein muß, daß dort keine tangentiale Feldkomponente besteht, ist die Intensität des elektrischen Feldes an beiden Enden des Durchmessers Null. Eine zweite Nullstelle liegt dann in der Mitte, wo das Feld seine Richtung wechselt. Das elektrische Wirbelfeld zeigt also den durch die Kurve i in Abb. q.a dargestellten wellenförmigen Verlauf. Der Strom auf dem Leiter ist in diesem Zeitmoment Null. Wie aus der Abb. q.b hervorgeht, ist daher auch die Energie des Magnetfeldes Null.
  • Der um 4 spätere Zeitmoment zeigt ein wesentlich anderes Bild. Die Energie des elektrischen Wirbelfeldes ist Null, in Abb. q.a fällt die Kurve 2 mit der Abszissenachse zusammen. Das magnetische Feld hat nun sein Maximum. Den Intensitätsverlauf des magnetischen Feldes gibt die Kurve 2 in Abb. q.b wieder. Diese Kurve zeigt, daß das magnetische Feld an der Oberfläche des Leiters ein Maximum hat, das nach der Mitte zu auf den Wert Null sinkt und in der Mitte selbst ein Minimum aufweist. Diese Intensitätsverteilung ergibt sich zwangsläufig daraus, daß innerhalb und außerhalb des verschwindenden elektrischen Wirbelfeldes magnetische Wirbelfelder von entgegengesetzten Vorzeichen entstehen. Der magnetische Fluß in der einen Richtung hat die gleiche Größe wie der Fluß in der anderen Richtung. Dies folgt aus der Quellenfreiheit des elektromagnetischen Feldes. Es muß also das Integral des magnetischen Flusses über dem Querschnitt verschwinden.
  • Das Magnetfeld zeigt demnach keineswegs einen homogenen Verlauf innerhalb der Leiter, es liegen vielmehr zwei Magnetfelder von entgegengesetzter Richtung konzentrisch ineinander.
  • In dem um 4 späteren Zeitmoment hat sich ein Zustand eingestellt, der durch die Kurven 3 wiedergegeben ist. Die gesamte Energie ist in Form eines elektrischen Wirbelfeldes wieder aufgespeichert, dessen Richtung jedoch dem des Wirbelfeldes im Zeitmoment i entgegengesetzt ist. Das Magnetfeld ist hier wieder Null. Der um spätere nächste Zeitmoment ist durch die Kurven q. wiedergegeben. Es ist also hier die Intensität des elektrischen Wirbelfeldes wieder Null und die des magnetischen Wirbelfeldes ein Maximum, wobei die Magnetfelder nunmehr die entgegengesetzte Richtung wie im Zeitmoment 2 haben. Bei der Erregung der Oberschwingung ergeben sich ganz ähnliche Bilder mit entsprechend größerer Anzahl von Knoten und Bäuchen der elektrischen und magnetischen Felder.
  • Der in den Abb. i und 2 dargestellte Resonator hat noch den Nachteil, daß er außer diesem elektromagnetischen Wirbelfeld noch ein Strahlungsfeld aufweist, welches ihm eine gewisse Dämpfung verleiht. Um einen Resonator mit sehr kleiner Eigendämpfung zu erhalten, wird daher gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen, einen solchen elektromagnetischen Resonator als einen von gut leitenden Wänden allseitig begrenzten Hohlraum auszubilden. Ein solcher als hohler Torus ausgebildeter Hohlkörper ist beispielsweise im Schnitt in Abb.5 dargestellt.
  • Wird der Innenraum dieses Hohlkörpers in der oben beschriebenen Weise in Eigenschwingung versetzt, so entsteht ein elektromagnetisches Wechselfeld, das keine Strahlung aufweist. Wie in der Abbildung durch die mit e und 5 bezeichneten Pfeile angegeben, handelt es sich um vollständig geschlossene Felder, für die Zeitmomente i und 3 um ein schlauchförmig innerhalb des hohlen Torus verlaufendes elektrisches Wirbelfeld und für die Zeitmomente 2 und q. um ringförmig den Torus umschlingende konzentrische magnetische Wechselfelder. Die einzigen Dämpfungsv erluste, die dieser Resonator aufweist, rühren von der nur endlichen Leitfähigkeit der Innenfläche des Hohlkörpers her. Will man den Resonator sehr ungedämpft machen, so wird man zweckmäßig einen Hohlkörper mit sehr gut leitender Innenfläche, z. B. mit einem Kupfer- oder Silberüberzug, verwenden, wobei dieser Überzug vorteilhaft auf Hochglanz poliert wird. Die Eigendämpfung kann weiterhin dadurch verringert werden; daß der Hohlkörper auf niedrige Temperatur gekühlt wird.
  • Der torusförmige Hohlraum kann ferner in der Form schwingen, daß die Strombahnen senkrecht zu den bisher betrachteten verlaufen. Es entsteht dann ein ähnlicher Resonator wie in Abb. 5, bei dem die elektrischen und magnetischen Feldlinien jedoch ihre Rollen vertauschen.
  • An Stelle dieses torusförmigen Hohlraumes können natürlich auch andere Hohlräume benutzt werden, z. B. ein durch zwei ineinanderliegende, gegeneinander isolierte torusförmige Körper gebildeter Hohlraum. Auch lassen sich beispielsweise ein Hohlzylinder, eine Hohlkugel oder der Zwischenraum zweier ineinanderliegeAder Zylinder oder Kugeln in ähnlicher Weise zu Eigenschwingungen anregen. Das gleiche gilt für alle die Hohlkörper, die durch stetige Deformation der oben angegebenen Formen erhalten werden können. So ist beispielsweise das Ellipsoid der Kugel äquivalent, kann also in ähnlicher Weise wie die Hohlkugel zu Eigenschwingungen angeregt werden. Es lassen sich auch, in schwierigen Fällen allerdings nur unter vereinfachten Annahmen, die Beziehungen zwischen der erzeugten Wellenlänge des Resonators und den Abmessungen der den Resonatorbegrenzenden Hohlkörper berechnen. Für den Fall des Zylinders liefern die Nullstellen der Besselschen Zylinderfunktionen nullter und erster Ordnung die gewünschte Beziehung. Verlaufen die (2-Linien in Richtung der Zylinderachse und die .-Linien in Ebenen senkrecht zur Achse, so folgt aus der Gleichung . . . , wobei 1o die Besselsche Zylinderfunktion nullter Ordnung, d der Durchmesser des Zylinders und A, die erzeugte Wellenlänge bedeuten. Bei Vertauschung von C2 und 5 liefert die Besselsche Zylinderfunktion erster Ordnung fü die Beziehung . Wird die Hohlkugel zu derartigen Schwingungen angeregt, wobei die geschlossenen C2-Linien in zueinander parallelen Schnittebenen verlaufen, so ergibt sich aus der Gleichung tg . . , wobei D den Kugeldurchmesser darstellt.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Resonators besteht in seiner sehr kleinen Eigendämpfung, so daß er sich noch besser als die bekannten Resonatoren für die verschiedensten Zwecke und vorzugsweise zum Anfachen, Erzeugen, Verstärken oder Empfangen von elektromagnetischen Schwingungen eignet.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Abmessungen des Resonators groß bzw. vergleichbar zur Wellenlänge bleiben. So ist z. B. der Durchmesser der Zylinder- oder Torusfläche auch bei Anfachung in der Grundschwingung ungefähr gleich 2. Es lassen sich also mit solchen Resonatoren Sender, Empfänger oder Verstärker für extrem kurze Wellen bei noch verhältnismäßig großen Abmessungen herstellen. Der erfindungsgemäße Resonator eignet sich demnach besonders für Wellen, deren Länge nur wenige Zentimeter beträgt.
  • Ein Anwendungsbeispiel für den Spezialfall des torusförmigen Resonators ist in der Abb. 6 im Schnitt dargestellt. Der torusförmige Hohlkörper ist an der Stelle seines kleinsten Durchmessers aufgeschnitten. Die Schnittränder sind je mit dem Teil 6, 6' des Außenleiters einer konzentrischen Energieleitung 5, 6 bzw. 5, 6' verbunden, so daß also der Innenraum des Torus über den Spalt 7 mit dem Hohlraum der Energieleitung kommuniziert. Wird nun auf der konzentrischen Energieleitung eine stehende Welle erzeugt, so daß gerade an der Stelle des Spaltes ein Strombauch entsteht, so wird der Resonator, falls seine Eigenfrequenz mit der Erregerfrequenz übereinstimmt, zu hohen Amplituden angefacht, wobei er in der im vorausgehenden ausführlich beschriebenen Weise schwingt. Der Resonator kann natürlich auch statt an seinem kleinsten Durchmesser an einer anderen Stelle und auch an mehreren Stellen senkrecht zur Strombahn aufgeschnitten sein. Die Energieleitung 5, 6 kann zur Ankopplung eines Anfachraumes bzw. eines Belastungswiderstandes, z. B. einer Antenne, an den Resonator dienen. Ihr Wellenwiderstand kann in einer für die Ankopplung von Anfachung bzw. Belastung günstigen Weise gewählt werden. Insbesondere kann der Wellenwiderstand der Energieleitung klein im Vergleich zu dem des Resonators gewählt werden, wodurch sich eine relativ lose Ankopplung des Resonators an die Anfachung bzw: Belastung ergibt. Auch können zurAnkopplung an den Spalt des den Resonator begrenzenden Hohlkörpers Leiter anschließen, welche nahezu einen KurzschluB-kondensator für den Resonator darstellen. Es bilden sich dann an der Übergangsstelle stets ein Spannungsknoten und ein Strombauch der Schwingung aus.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: z. Elektromagnetischer Schwingungskreis für kurze Wellen, insbesondere Dezimeter- oder Zentimeterwellen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem von metallischen Flächen allseitig begrenzten Hohlkörper besteht, der mindestens in zwei Dimensionen Abmessungen von der' Größenordnung der Betriebswellenlänge aufweist, so daß ein wesentlicher Teil des die Eigenfrequenz mitbestimmenden elektrischen Feldes aus einem elektrischen Wirbelfeld, insbesondere mit geschlossenen elektrischen Wirbellinien, besteht.
  2. 2. Elektromagnetischer Schwingungskreis nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß der als Schwingungskreis dienende Hohlraum in Oberschwingung angefacht wird.
  3. 3. Elektromagnetischer Schwingungskreis nach Anspruch -z und 2, dadurch gekennzeichnet, da.B der den Schwingungskreis bildende Hohlkörper ein Torus ist. q.. Elektromagnetischer Schwingungskreis nach Anspruch z bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Torus an seinem kleinsten Durchmesser aufgeschnitten ist und daß sich an die Spaltränder weitere Leitungen anschließen. 5. Elektromagnetischer Schwingungskreis nach Anspruch z bis q., dadurch gekennzeichnet, da,ß sich an die Spaltränder die Teile (6, 6') des Außenleiters einer konzentrischen Energieleitung anschließen.
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