Zeitschrift ffir Physik, Bd. 126, S. 7a l - -720 (1949).

Uber einige Demonstrationsversuche mit elektromagnetischen Zentimeter,,Wellen.

Yon

ERWIN MEYER u n d HANS SEVERIN.

Mit 7 Textabbildungen.

(Eingegangen am 16. Juni 1949.)

Die moderne Entwick]ung der elektrischen Zentimeterwellenr6hren gestatte~, Versuche fiber die AusbreituI~g elektromagnetischer Wellen mi t einfachen Mitteln in einem HSrsaal vorzuffihren. Nachstehend werden einige Exper imente be- schrieben, wie sie im IRahmen einer V0rlesung fiber ,,Physikalische Grundlagen der Hochfrequenztechnik" im H6rsaal des n I . Physikalischen Ins t i tu ts der Uni- versidit G6t t ingen (Gr6Be t2 • 6 x 5 m ~) gezeigt wurden 1. Die Zusammenstel lung erhebt selbstvers*~indlich keinen Anspruch auf Vollstiindigkeit, auch sind die einzelnen Versuche im Prinzip keineswegs neu; es wurde jedoch W e l t auf Ein-

fachhei t und Anschaulichkeit geleg•

1. Beschreibung yon Sender und Emp[dnger. Als Sender dient ein t0 cm Magnetro n (Telefunkenr6hre RD 2 Md),

das in der fiblichen Schaltung (Abb. ~) mit einer den Anodenstr0m

+ - 75oV

Stabil/'aier/e~ Ne/zgerdt

Abb. L Scha]tung ~nd Aufbau des Magnetronsenders.

begrenzenden Pentode betrieben wird. Die erzeugte Hochfrequenz- leistung wird kapazitiv fiber eine kurze abstimmbare Paralleldrahtleitung (Lecherleitung) ausgekoppelt, die mit einer ~/2-Antenne abgeschlossen

I Ffir die Vorberei• und den Aulbau der Versuchsanordnungen haben wir Herrn HENZE ZU danken.

712 ]~RWIN 1V[EYER u n d HANS SEVERIN:

ist. Dieser Dipol ist in einen rechteckigen Trichter der aus Abb. 1 ersichtlichen Dimensionen eingebaut, um dutch d i e Btindelung eine Vergr6Berung der Energiediehte und eine Herabsetzung der Raum- einfliisse zu erhalten.

Empfangsseitig" wird sowohl das elektrische wie das magnetische Feld gemessen. Die einfachste Form eines elektrischen Empt~ingers ist ein kleiner Kristalldetektor, an dessert Enden ktirzere oder l~ingere Metallst~be durch Aufschrauben angebracht werden k6nnen. Die

20o Q die#an# .4vsg~raq Oszillo- Versl6'rker graph

Abb. 2. Elektrischer und magnetischer Empf~nger.

Empfindlichkeit des Empfiingers ist nattirlich am gr6Bten ftir den auf ~./2 abgestimmten Dipol. Als magnetischer Empfitnger wurde nach mannigfachen Vorversuchen eine kleine halbkreisf6rmige Drahtschleife von 2 cm Radius gew~ihlt, deren Endenisol ier t durch eine kreisfSrmige Blechscheibe von 3,5 Crn Radius hindurchgeftihrt und mit einem ab- geschirmten Detektor verbunden wurden. Abb. 2 zeigt eine Skizze des elektrischen und magnetischen Empfitngers.

Ftir Demonstrationsversuche empfiehlt es sich nicht, zur Anzeige der empfangenen Feldst~rken das sonst iibliche Galvanometer zu ver- wenden; es ist giinstiger, den Sender tonfrequent in der Amplitude (kleiner Modulationsgrad) zu modulieren 1, die durch den Detektor demodulierte Tonfrequenz zu verst~trken 2 und a u f einem Kathoden- strahloszillographen anzuzeigen. Diese Anzeigeart hat d e n Vortei l

1 De r ] ' r i c h t e r wird d a n n . zweckm~gig geerde~, u m e in e lek t ros ta t i sches , , U b e r s p r e c h e n " de r Tonf requenz zu v e r m e i d e n .

Empf~Lnger u n d VerstS.rker w e r d e n dabe i d u t c h a b g e s c h i r m t e K a b e l ve r - bunden .

Demonstrationsversuche mit elektromaglletischen Zentimeter-Wetien. 7~[~

v611iger Trfigheitsl0sigkeit. Zudem kann mail noch die empfangene Intensit~it durch einen Lautsprecher akustisch vorfflhren.

Wie bekallnt, schwingt das Magnetron bei kons• Magnetfeld nur ftir bestimmte Werte der Anodenspannllng. Man kalln diese Eigenschaft sehr sch6n demonstrieren, indem man der Anodengleichspannllng nebst der oben erw~thnten Modulationsspanllung yon etwa 15 kHz eille Wechselspanllung yon 50I-Iz so iiberlagert, dab sich die Allodenspannllng um die angelegte Gleichspannllng yon etwa t40V als Mittelwe~ zwischen den Werten 65 llnd 2 t 5 V ~Lndert. Die vom elektrischen ]EmpfS~nger gelieferte und weiterhin verst~irkte Tonfrequenzspan- nung wird auf der Ordinate des BRAL~N- schen Rohres aufgezeichllet, die Abszisse ist die jeweilige Allodellspannung. Ein Beispiel zeigen Abb. 3A und ]3: ~Die Stellen, all denen die Schwillgung des Magnetrons aussetzt, silld deutlich als Lficken im Oszillogramm sichtbar. Diese verschieben sich, welln man den bisher festgehaltenen Parameter, die Magnetfeld- st~trke, iindert. Man kann ferner noch zei- gen, dab innerhalb eines Schwingbereichs die abgestrahlte Wellenl~nge eL-was roll der Betriebsspannullg abh~ngt. Hierzu erzeugt man dnrch Anbrillgung eines 1Reflektors hinter dem Empf~inger ein

Abb. 3 A. Schwingbereiche des Magnetrons. Abb. 3 B. Abh~illgigkeit der Frequenz yon der Anodenspannung.

stehendes Wellenfeld; bewegt mall nun Empf~inger oder Reflektorplatte, so zeigt der Ansschlag auf dem ]3RAUNschen iRohr Maxima llnd Minima, die Eir die ver- schiedenen Allodenspallllullgen all verschiedenen Stellen des Ranmes liegell, well die Wellenl~ingeI1 verschieden silld. Illfolgedessen liegen z. B. die Minima der an- gezeigten Empfangsfeldst~irken, aufgetragen fiber den versehiedenen Anodenspan- nungen des Magnetrons, an verschiedenen Stellen der Abszisse (Abb. 3B). Ohne eine WellenI~ngen~Lnderung mfiBte der Ansschlag in einem Knoten der Welle I~ings der ganzen Abszisse gleieh Null sein.

2. Fortschreitende Wellen. In einigem Abstand v o n d e r Trichter6ffnung, z. ]3. in etwa 2 m

Entfernung, kann man fiir Demonstrationszwecke praktisch mit ebenen Wellen rechnen. Ist die Ausbreitungsrichtung die x-Achse und liegt

Z~itschrift ffir Physik. Bd. t26. 47

714 ]~RWIN MEYER und HANS SEVERIN:

der SendediP01 in der y-Richtung, so zeigt der oben beschriebene elektrische Empfiinger an, dab der Vektor der elektrischen Feldst~trke in der y-Richtung liegt, w~hrend mit dem magnetischen Empfgnger das in der z-Richtung vorhandene Magnetfeld nachgewiesen wird. In den beiden anderen dazu orthogonalen Richtungen erh~ilt man jeweils keinen Ausschlag. Insbesondere ist hierbei Weft auf den Nachweis zu legen, dab im Gegensatz zu den Hohlraumleitern in der Ausbreitungs- richtung keinerlei Komponente vorhanden ist.

In einem solchen Feld kann man dutch Drehung des Empf~ingers dessen Richtcharakteristik experimentell bestimmen und aus der Gegen- iiberstellung mit dem Iiir den HEaTzschen Dipol bekannten Strahlungs-

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Abb. 4. Richtcharakteristik des Empflingers.

diagramm die Kennlinie des Kristalldetektors ermitteln. Abb. 4 zeigt die gefundenen MeBwerte im Vergleich zu der Kurve sin~0. Die Amplitudencharakteristik des Gleichrichters ist also rein quadratisch, so dab elektrischer und magnetischer Empf~nger das Quadrat der Feldst~irke messen.

Die vorhergehenden Versuche beziehen sich auf das Fernfeld, in dem ~ und ~ keine radiale Komponente haben. Es ist ohne Schwierig- keiten m6glich, mit dem gleichen Aufbau das Nahfeld eines freistehenden elektrischen Dipols auszumessen. Man demonstriert leicht, dab un- mittelbar am Dipol in seiner R~chtung eine radiale Komponente yon @ vorhanden ist, die sehr schnell mit der Entfernung abkiingt. Auf der Niittelnormalen dagegen ist auch unmittelbar am Senderdipol die radiale Komponente yon ~ Null, was anschaulich aus der Symmetrie des elektrischen Feldes folgt.

Der magnetische Dipol l~iBt sich in der Zentimeterwellentechnik besonders leicht nach dem 13ABINETschen Prinzip durch einen Schlitz in einer leitenden Wand verw.irklichen 1. Der Schlitz wird dann zur

1 WATSON, W. H. : The physical principles of wave guide t ransmiss ion and an tenna systems. Oxford 1947.

D e m o n s t r a t i o n s v e r s u c h e m i t e l e k t r o m a g n e t i s c h e n Z e n t i m e t e r - W e l l e n . 7 1 5

Strahlung angeregt, wenn Leitungsstr6me senkrecht zur Schlitzrichtung fliegen. Dies kann man z. 13. erreichen durch eine senkrecht auf den Schirm auftreffende ebene Welle, deren elektrischer Vektor senkrecht zum Schlitz liegt. I m vorliegenden Falle wurde ein Resonanzschlitz yon 5 cm L~nge und 8 m m Breite in einem Aluminiumblech yon

9 0 ~

Modula/ibnsspanng. ~m Deleklor

Abb. 5. EIektrisches Feld eines magnetischen Dipols in seiner ~.quatorialebene (r = 25 era).

50 • 50 cm 2 verwendet. Steht der Spalt in der oben genannten Rich- tung, so ist seine Durchl~tssigkeit grog, und man kann ohne Schwierig- keiten das hindurchtretende elektrische Feld mit dem elektrisehen Dipol ifi kleiner Entfernung hinter dem Schirm nachweisen. Wird der

Abb. 6. Gerade Strahlergruppe.

S p a r um 90 ~ gedreht, so dab er in Richtung yon ff liegt, dann l~gt er praktisch nichts durch (sein magnetisehes Moment ist zu klein). In einem zweiten Versuch wird die Verteilung des elektrischen Feldes in der Aquatorialebene hinter einem elliptischen 2/2-Schlitz 1 gemessen. Abb. 5 zeigt gute C~bereinstimmung mit dem theoretisch ffir einen ma- gnetischen Dipol zu erwartenden Feldverlauf (Kreis mit r = 2~ cm).

An diese Versuche mit Einzeldipolen sehliel3en sich einige einfache Experimente fiber die Richtwirkung v o n Gruppenstrahlern an. Zweck- m~Big beniitzt man lineare Oruppen. Eine solche besteht z .B. aus

1 D i e i n A b b . 5 d a r g e s t e l l t e ~Kessung w u r d e a u s n a h m s w e i s e b e i ~ = t 4 c m g e m a c h t .

47*

716 ]~I~WIN MEYER urld HANS SEVERIN:

sieben elektrischen Dipolen in jeweils ~/2-Abstand, wie in Abb. 6 dar- gestellt. Erfolgt die elektrische Speisung fiber eine Paralleldrahtleitung unmittelbar am mittleren Dipol, so sind alle Strahler gleichphasig erregt und das Hauptmaximum der Strahlung liegt auf der Mittel- normalen. WShlt man eine Gruppe yon acht Strahlern, die analog wie in Abb. 6 gesehaltet sind, regt sie jedoch in der Mitre an, so werden die links und rechts hierzu liegenden vier Dipole zwar unter sich gleich- phasig, aber gruppenweise gegenphasig erregt; auf der Mittelsenkrechten ist dann die Feldst~irke stets Null; das Richtdiagramm ist in bekannter Weise zweibl~ittrig. Biegt man die erste Gruppe in Form eines Kreises, so erh~tlt man auf der Mittelsenkrechten einen Brennpunkt, tier mit dem Kreismittelpunkt zusammenfiillt.

8. Stehende Wellen.

An die Versuche mit fortschreitenden Wellen schlieBen sich solche in stehenden Wellen an. Um eine ,,ebene" Welle zu erhalten, wird wiederum der Dipol im Trichter benutzt; in etwa 3 m Entfernung wird ein metallischer Reflektor, z. 13. eine Aluminiumplatte von 50 • 50 cm ~ aufgestellt, die bei diesen Versuchen geerdet werden muB 1. Bewegt man den elektrischen oder magnetischen Empf~tnger vor dem Reflektor hin und her, so tastet man damit die Knoten und Bguche des stehenden Wellenfeldes ab und erh~ilt in bekannter Weise Maxima und Minima (Nullstellen), d{e bei beiden Empf~ngerarten 4/4 auseinanderliegen. Es l~tl3t sich gut zeigen, dab unmittelbar am Reflektor ~ = 0 ist, wahrend ein Maximum hat. Bei diesem Versuch kommt tier Vorteil des ge- w{ihlten Anzeigeverfahrens, n~irnlich die trfigheitslose Anzeige durch einen Kathodenstrahloszillographen, besonders gut zum Ausdruck, well der Empf~nger beliebig schnel! durch das stehende Wellenfeld bewegt werden kann. Nebenbei bemerkt, ist das Verfahren der stehenden Wellen geeignet, den Charakter des verwendeten Empf/ingers zu prtifen, eine Methode, die man in analoger Weise in der Akustik benutzt, um den Typ des benutzten Mikrophons (z. B. Druck- oder Druckgradient- empffinger) festzustellen. DaB man in stehenden Wellen die GrSBe der Wellenl~inge der benutzten Strahlung gut demonstrieren kann, ist selbstverst~indlich.

lJm zu zeigen, dab die Wellenl~inge im Dielektrikum um den Faktor Ve kleiner als in Luft ist , l~iBt man die Strahlung des Trichters auf einen Glastrog mit destilliertem Wasser auffallen, vor dem sich der Emp- I~nger befindet. Der metallische Reflektor, der verschoben wird, ist

x Diese MaBnahme dient, ebenso wie die schm~ erwghnte Erdung des Trichters, dazu, das kapazitive ,,Obersprechen" der Tonfrequenz aui die Empf~nger zu vermeiden.

Demonstrationsversuche mit elektromagnetischen Zentimeter-Wellen. 717

im Glastrog. Legt man den Versuch so an, dann ist es nicht notwendig, den Empf~nger wasserdicht zu machen. Man erhfilt allerdings keine ausgepriigten Nullstellen mehr, well bereits an der Glaswand eine teilw'eise Reflexion der einfallenden Welle stattfindet. DaB jedoch der Abstand der Maxima und Minima nahezu zehnmal kleiner ist als in Luft, kommt deutlich heraus.

Die bei diesem Versuch unerwtinschte D~tmpfung der in dos Wasser eingetretenen Welle l~iBt sich ouch bei gutem destilliertem Wasser

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Abstano" a der Folie kVe lle n l6"n~ e

Abb. 7. Welligkeit d einer stehenden Welle vor einer Leitf~Mgkeitsfolie, die einen Abstand a yon einer Metallfl~.che hat . R zugeh6riger Reflexionskoeffizient.

nicht vermeiden; sie kommt dadurch zum Ausdruck, dab bei einer grSBeren Wasserschicht vor dem Reflektor keine Beeinflussung des Empf/ingers mehr auftritt . Dutch Zusatz yon Kochsalz kann man die D~impfung noch erhShen und damit die Strecke, l~ngs der der Reflektor etwas ausmacht, nock verringern.

Im AnschluB an die stehenden Wellen fiihrt man zweckm~il3ig einen Versuch zur Absorption vor. Hierzu dient eine Leitf~ihigkeitsfolie, z.B. graphitiertes Papier, dessen spezifischer Fliichenwiderstand 1 m6g- lichst gleich dem Wellenwiderstand ((~/g~) des freien Raumes, d .h . 3 77 fl ist. Setzt man eine solche Folie in einem Abstand yon 2/4 vor die reflektierende Wand, so erh~i!t man vSllige Absorption, da der Ein- gangswiderstand (~/~) der 2/4-Schicht, der dem Folienwiderstand parallel liegt, unendlich groB ist. Ver~tndert man den Abstand, so wird die Absorption geringer. Die GrSl3e der Absorption folgt aus der

Welligkeit (Verh~iltnis d = MaximumMinimum derder Felastgrke)Feldst~irke der stehenden Welle

1 MAcEIr O.: Elektrotechnik 2, 205 (~948).

718 ]~RWIN MEYER und HANS SEVERIN:

vor der reflexionsvermindernden Schicht, wenn man z. I3. den Emp- f~inger bewegt. Die Welligkeit t (Reflexion 0) wfirde einer rein fortschreitenden Welle entsprechen. 13elm Demonstrationsversuch ffihrt man die Welligkeit vor, indem man die Kippfrequenz des Oszillogr&phen sehr langsam einstellt, so dab sie ungef~hr mit dem R h y t h m u s der Hin- und Herbewegung des Empfitngers fibereinstimmt. Abb. 7 zeigt ein Beispiel mit einer Folie, die allerdings nicht 377~, sondern 300 fl hatte. Die Ordinate ist die gemessene Welligkeitl die Abszisse der Abstand Folie-Metallplatte im Verh~iltnis zur Wellenl~inge. AuBerdem ist noch der aus der Welligkeit berechnete und auf Energien bezogene Reflexionskoeffizient R aufgetragen.

4. Schrdger Ein/all au/ Grenz/ldchen. Die relativ gute "Bfindelung der Strahlung durch den Trichter

erlaubt, auch Versuche bei schrfigem Einfall der Wellen auf eine Grenz- flfiche zu machen.

Mit Rficksicht auf die Ausbreitungsvorg~inge im Hohlraumleiter ist die Interferenzerscheinung, wie sie sich bei der Reflexion einer schrfig auf eine leitende Ebene auffallenden elektromagnetischen Welle einstellt, yon Interesse. Hierzu wird auf den H6rsaaltisch eine Aluminiumplatte v0n etwa t • 2 m 2 gelegt, deren Ebene als x y-Ebene bezeichnet sei. E twa 60 cm darfiber~ der Magnetronsender, dessen Trichter zur Variation des Einfallswinkels yon Hand aus versehieden geneigt wird. Die zu erwartenden Feldlinienbilder 1 lassen sich ffir parallele und senkrechte Polarisation, d.h. ffir den @-Vektor in bzw. senkrecht zur Einfallsebene mit Hilfe des elektrischen und magnetischen Empf~ngers gut naehweisen. Insbesondere ist stets in der x y-Ebene E , = E y = H , - 0 . Man kann das gesamte Feldlinienbild so auffassen, als ob man in der x-Richtung fortschreitende Wellen, in der z-Richtung stehende Wellen mit den jeweiligen Wellenl~ingen

i 2 1 ' - - , 2 ' - -

cos 9 sin ~0

hat, wobei q) den Einfallswinkel gegen die Flfiehennormale bezeichnet. Die vergr6Berte Wellenl~inge kann sowobl im elektrischen wie im magnetiscben Feldlinienbild (mit 2 ' /4-Verschiebung gegeneinander) nachgewiesen werden.

g. Hohlraumleiter. Der letzte Versuch leitet zum Fall der Hohlraumleiter fiber, denn

man st6rt das Feldlinienbild nicht, wenn man in die Knotenebene der elektrischen Feldst~irke (E x = Ey = 0), das ist eine zum Reilektor

1 Zum Beispiel vgl. SCHUMANN, W. O. : ElektrischeWellen, S. 65 f. Mtinchen 1948.

Demons~rationsversuche mit elektromagnetischen Zentimeter-Wellen. 719

paralMe Ebene, eine Metallplatte legt. Man kommt so zum ,,Band- teiter", dessen Ubertragungseigenschaften als Funktion des Verh~It- nisses Pla t tenabstand zu Wellenl~inge man gut demonstrieren kann.

Solange der Abstand der beiden Platten kleiner als ,~/2 ist, iibertrfigt der Bandleiter nur die Querkomponente yon @ (E~, senkrecht zu den Platten), d .h . er wirkt wie ein Lechersystem. Insbesondere kann in diesem nicht weiter interessferenden Fall eine Longitudinalkomponente des Feldes (Ey) zwischen den Platten nicht beobachtet werden. Erst wenn der Abstand der beiden metallischen Fl~ichen gr6ger als ~/2 Wird; ftihrt der Bandleiter eine Welle mit Longitudinalkomponente, die auch an seinem Ende, d. h. nach 2 bis 3 m, noctl mit groBer Amplitude nactlweisbar ist.

Die eigentlichen Hohlraumwellen demonstriert man nattirlich am besten an Rohrstiicken, die z .B . aus Messingrohr yon kreisf6rmigem Querschnitt bestehen und relativ kurz sein k6nnen. Is t die benutzte Wellenl~tnge wie bisher 10 cm, so ~ibertr~igt ein Rohr von t0 cm Durch- messer die H 1- und E0-Welle 1. Zum Nachweis wird der unabgestimmte, quer zur Rohrachse liegende Empfiinger 1/ings dieser bewegt. Wenn bei geeigneter Anregung beide Wellentypen gleichzeitig auftreten, dann ist das v611ig verzerrte Osziltogramm ein Beweis f~ir ihr Vorhandensein, da n~imlich durch Interferenzen im Rohr eines der durch die Modu- lation entstehenden Seitenb~nder oder die Tr~tgerfrequenz ausfallen kann. Legt man jedoch den Empfiinger in Achsenrichtung, so erh~ilt man auf dem Oszillographen die saubere Sinuskurve der Modulations- frequenz. Da n~mlich die H1-Welle keine Longitudinalkomponente yon ~ hat, so wird die E0-Welle allein angezeigt. Die Wellenlfingen- messung ergibt ftir die Rohrwellenl~nge t5 cm und best/itigt damit die Eo-Welle.

I m 7 cm-Rohr kann die E0-Welle nieht mehr, die Hl-Welle nur bei giinstiger Anordnung angeregt werden. Ein Rohr yon 4 cm Durchmesser tibertr~igt gar keinen Wellentyp. Bei s~mtlichen Versuchen wurde zur Anregung der Rohre der Einfachheit wegen in den Trichter des Magnetron- senders ein Empfangs-2/2-Dipol an einem konzentrischen 60 f~-Kabel eingeftihrt, dessen verl~ingerter Mittelleiter in das zu untersuchende Rohr hineinragt. Man zapft also damit Iiir die Versuche einen gewisser~ Energiebeitrag aus dem Felde der fortschreitenden Wellen ab. Die E0-Welle wird bevorzugt angeregt, wenn der verl/ingerte Mittelleiter in die Rohrachse zeigt, die Hl-Welle dagegen, wenn er senkrecht zur Rotlrachse liegt 2.

1 RIEI)IIqGER, A. : Elektromagnetische Wellen in meiallischen Hohlzylindern. In VILBIG, ZENNECK, Fortschritte der H. F.-Technik, Bd. I, S. 198, Abb. 6. 194t.

RIXI):NGER, A. : a. a. O. S. 200, Abb. 8 und 9.

720 ERwIN MEYER und HANS SEVERIN: Demons t r a t ionsve r suche .

Zusammen/assung. Es wird fiber eine Reihe yon Schauversuchen mit elektromagne-

tischen Zentimeterwellen berichtet, die mit einfachen Mitteln vor- geffihrt werden k6nnen. Als Sender dient ein tonfrequent modulfertes t0 cm- Magnetron. Die Empfangsanlage und Anzeigevorrichtung be- steht aus Detektor, NF-Verst~irker und Oszillograph. Die besehrie- benen Experimente betreffen Schwingbereiche des Magnetronsenders, Nail- und Fernfeld eines HERTzscllen Dipols, das Strahlungsfeld ei~es magnetischen Dipols, Eigenschaften elektrischer und magnetischer Empf~tnger, stehende Wellen in Luft und im Dielektrikum, einen absorbierenden WandabschluB, sowie den schr~tgen Einfall ebener elektro-magnetiseher Wellen auf eine leitende Ebene und schlieBlich die Hohlraumleiter.