Elektromagnetische Felder. und Wellen

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1 Elektromagnetische Felder und Wellen

2 Einfiihrung in die Elektrotechnik hoherer Frequenzen Von H. H. Meinke o. Prof. Dr. habil. nat. Direktor des Instituts fiir Hochfrequenztechnik der Technischen Hochschule Miinchen Zweite verbesserte Auflage Zweiter Band Elektromagnetische Felder und Wellen Mit 212 Ahhildungen Springer-Verlag Berlin IHeidelberg IN ew York 1966

3 ISBN-13: e-isbn -13: DOl: / Aile l ~ e c insbesondere h t e, das der Ubersetzung in fremde Spmchen, vorbchalten Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile damus auf photomechauischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) oder auf andere Art zu vervielfaltigen by Springer-Verlag, Berlin! Heidelberg 1966 Library of Congress Catalog Card Number: Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daber von jedermann benl1tzt werden diirften Titel-Nr. 1308

4 Vorwort zum zweiten Band Nachdem im 1. Band diejenigen Vorgange behandelt wurden, die sich mit Hille konzentrierter oder stetig verteilter Schaltungselemente beschreiben lassen, werden im 2. Band solche Vorgange dargestellt, die auf der Wirkung elektromagnetischer Wellenfelder beruhen; die Grundgedanken der Darstellungsweise sind die gleichen, die schon im Vorwort zum 1. Band erlautert wurden. Aus der Fiille der vorhandenen Erkenntnisse wurden diejenigen Bereiche ausgewawt, die besondere technische Bedeutung erlangt haben. Die mathematische Darstellung wurde moglichst vereinfacht und durch physikalische Betrachtungen erganzt. lch hoffe, so den Wiinschen und der personlichen Veranlagung eines groben lnteressentenkreises, wie er in der Industrie und in den Labors experimentell und ingenieurmabig arbeitend angetroffen wird, zu entsprechen. So habe ich beispielsweise die RoWleiterwellen nicht zuerst in allgemeinster Form abgeleitet und daraus die fast ausschlieblich interessierende RIO-Welle als Sonderfall erhalten, sondern zuerst die RIO-Welle in einfachster Form abgeleitet und auch in technischer Hinsicht ausfiihrlich behandelt. Dagegen sind die iibrigen Wellenformen, die bisher ja kaum eine praktische Bedeutung haben, nur angedeutet. Man gewinnt dadurch erheblich an Dbersichtlichkeit und spart mathematischen Aufwand. Nachdem ich seit 28 Jahren auf diesem Gebiet tatig bin, seit 18 Jahren dariiber Vorlesungen halte und mehrere tausend Studenten gepriift habe, glaube ich, die Fahigkeiten und Bediirfnisse dieses Kreises etwas zu kennen. Einen besonderen Platz nimmt die Anwendung der konformen Abbildung auf Wellenfelder ein, die sehr vielseitige Ergebnisse zeigt und deren Anfange auf BUCHHOLZ zuriickgehen. Die einfachsten Falle der konformen Abbildung findet man bereits in dem vorliegenden Buch. Dies Verfahren erweist sich gerade fiir die numerischen Rechnungen der Praxis im Zeitalter der elektronischen Rechenmaschinen als sehr erfolgreich. So hoffe ich, durch dieses Buch, das aus meiner personlichen Erfahrungswelt heraus fiir die Bediirfnisse einer Praxis mit gehobenem Niveau entstanden ist, einen niitzlichen Beitrag geleistet zu haben. Miinchen, den 1. September 1966 H. Meinke

5 Inhaltsiibersicht Seite Allgemeine Feldgesetze im freien Ra.um und im Nichtleiter Jnduktionsgesetz - Durchfiutungsgesetz - Energiewandlung - Verschiebungsstrom - Komplexe Darstellung von Wellenvorgangen I. Ebene Wellen Die einiachste ebene Welle Differentialgleichungen - Feldkomponenten - Energiewanderung - Welle im freien Raum und im verlustfreien Dielektrikum - Verluste im Dielektrikum 2. Reflexion an leitenden Ebenen Welle parallel zur Ebene - Senkrechte Reflexion - Schrages Auftreft"en einer Welle; zwei Hauptfalle: Elektrische Feldstii.rke parallel zur Ebene; magnetische Feldstarke parallel zur Ebene - E-Welle und H-Welle - Phasengeschwindigkeit - Energiegeschwindigkeit 3. Reflexion an dielektrischen Grenzflachen Feldlinienknick in der Grenzflache - Senkrechte Reflexion - Reflexionsfaktor - Schrage Reflexion - Reflektierte und eindringende Welle - Winkelabhangiger Reflexionsfaktor 4. Ebene Wellen mit elektrischer Langskomponente.... Phasengeschwindigkeit gro.l3er als Lichtgeschwindigkeit - Phasengeschwindigkeit kleiner als Lichtgeschwindigkeit - Oberflachenwelle an verlustfreier und verlustbehafteter, dielektrischer Grenzflache Drahtwelle ll. Wellenleiter. 1. Wellen zwischen parallelen Ebenen L-Welle - H-Welle - E-Welle 2. Leitungswellen in Doppelleitungen beliebigen Querschnitts Konforme Abbildung des Leitungsquerschnitts - Feldgleichungen - Feldkomponenten - Strom - Spannung - Wellenwiderstand 3. Wellen in Hohlleitern mit Rechteckquerschnitt Hmo-Welle -'- Hlo-Welle - Hol-Welle - H 1l-Welle - Ell-Welle - Allgemeine Feldgleichungen 4. Hohlleiter mit Kreisquerschnitt Feldgleichungen in Zylinderkoordinaten - HOI-Welle - Eol-Welle - H 1l -Welle. 5. Allgemeiner Hohlleiterquerschnitt Konforme Abbildung des Querschnittes - H-Wellen - E-Wellen - Eingebeulter Rechteckquerschnitt - Ausgebeulter Rechteckquerschnitt - Grundregeln fur kritische Frequenzen 6. Strome und Verluste in Hohlleitern H10-Welle im Rechteck - H 1l-Welle im Kreisquerschnitt - Eol-Welle im Kreisquerschnitt - L-Welle der koaxialen Leitung - Leitungsersatzbilder - Hohlleiter mit Dielektrikum

6 Inhaltsiibersicht VII Seite 7. Hohlleiter unterhalb der kritischen Frequenz Aperiodisches Abklingen - Hohlleiter mit Dielektrikum - HlO-Feld im Rechteckquerschnitt - Eol-Feid im Kreisquerschnitt - Liiftungsrohre - Kapazitive und induktive Rohrspannungsteiler - Abgeschirmte Isolierachsen 8. Hohlleiterschaltungen Eindeutigkeit eines Wellentyps - Eindeutige H IO-Welle - Dampfungsvergleich eindeutiger Typen - Anwendung der Leitungstheorie - Stifte und Blenden als Blindleitwerte III. Hohlraum - Resonatoren Stehende Wellen im Hohlleiter mit Rechteckquerschnitt. 150 Kurzgeschlossener Hohlleiter - Stehende Hlo-Welle - HIOI-Resonanz - Hmnp-Resonanz - Emnp-Resonanz 2. Stehende Wellen im Hohlleiter mit Kreisquerschnitt Hmnp- und Emnp-Resonanzen - Radiale Resonanzen - Eolo-Resonanz - Koaxialer Resonator 3. Technische Formen von Resonatoren in der Grundschwingung Definition der Grundschwingung -. Parallelresonanz - Eigenverluste - Kapazitive und induktive Ankopplung - Anpassung - Wirkungsgrad - Bandbreite - Erniedrigung der Resonanzfrequenz duich kapazitive Belastung IV. Kugelwellen und Antennen Die einfachsten Kugelwellen Kegelleitung: Feldgleichungen, Felder und Wellenwiderstand Infinitesimaler Dipol: Feldgleichungen, Fernfeld, Nahfeld und ausgestrahlte Energie 2. Kombinationen von zwei Dipolwellen Zwei Dipole nebeneinander mit gleichphasigen Stromen und mit ungleichphasigen Stromen - Horizontale und vertikale Richtwirkung - Zwei Dipole iibereinander mit gleichphasigen und mit ungleichphasigen Stromen - Dipol parallel und senkrecht zu einer leitenden Wand 3. Kombination von mehr als zwei Dipolen Drei Dipole auf einer Geraden mit gleichphasigen und ungleichphasigen Stromen - Vertikale und horizontale Halbwertsbreite - Querstrahler und Langsstrahler - Richtantenne aus vier Dipolen - Stetig verteilte Dipole auf einer Geraden: Querstrahler, Schragstrahler und Langsstrahler - Hauptstrahlung, Nebenstrahlung und Nullrichtungen - Kleinere Nebenstrahlung durch verminderte Randstrahlung - Dipole auf einer Geraden iibereinander, Stabstrahler - Fllichenstrahler: Vertikales und horizontales Richtdiagramm - Gewinn einer Richtantenne 4. Technische Formen von Sendeantennen Stabstrahler: Stromverteilung, Vertikaldiagramm, Eingangsimpedanz, Verlustwiderstand, Strahlungswiderstand, effektive Hohe - Breitbanddipole - Kapazitiv belastete Stabe - Kopplung zwischen benachbarten Staben - StrahlungsgekoppeIte Dipole - Reflektorstab - Direktorstab - Flachenstrahler: Dipolwand, Trichterstrahler, parabolischer Reflektor