Table Of ContentOK 621.3.029.641.65 : 538.56.029.64/.65 : 535.3
FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH E I N -WESTFALEN
Herausgegeben von StaatssekretCir Prof. Dr. h. c. Leo Brandt
Bericht Nr. 419
Dr.-Ing. Karlheinz Brocks
Die Messung der ReAexionseigenschaften kunstlicher und
naturlicher Materialien mit quasi-optischen Methoden
bei Mikrowellen
Als Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
1957
ISBN 978-3-663-03463-6 ISBN 978-3-663-04652-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04652-3
Dieser Forschungsbericht erscheint gleichzeitig als Bericht Nr. 27 der
Deutschen Versuchsanstalt flir Luftfahrt e.V. im Westdeutschen Verlag,
Knln und Opladen
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e d e run g
1 • Die Reflexion elektromagnetischer Wellen • S. 5
2. Bestimmungsmethoden S. 10
3. Das Interferometer. S. 18
4. MeBergebnisse S. 43
Aufstellung der benutzten Symbole S. 58
Anhang
A1. Bestimmung des Reflexionsfaktors ebener Flaehen mit
. . . . .
s.
Tripelspiegel und Radargerat • • • • • • • • • • • • 59
A2. Ergebnis einer praktisehen Messung des Reflexions-
koeffizienten mit dem Radarverfahren •••••• S. 61
. . . . .
A3. Bestimmung des Reflexionsfaktors mit der MeBleitung S • 61
A4. Reflexionsunterdruekung dureh Anpassung oder
Abdeckung . . . . . • . . . . . . . . . . . S. 62
A5. Reflexionskoeffizienten R bzw. Rd naturlieher Reflektoren
A
fur o = 3,08 und 0,954 em • S. 66
Sehrifttum • • • • • • • • S. 68
Sei te 3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
1. Die Reflexion elektromagnetischer Wellen
1.1 Einleitung
Eine Reflexion elektromagnetischer Wellen tritt immer dann auf, wenn in
der Richtung ihrer Ausbreitung die elektrischen Eigenschaften des Aus
breitungsmediums - beschrieben durch den Brechungsindex n - sich andern
auf einem Wegstuck, das klein oder vergleichbar ist zur Wellenlange.
Die Ruckstrahlung auf die Quelle hin oder - allgemein - die Umlenkung
einer geradlinig sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle durch die
Vermittlung einer Reflexion findet bei Mikrowellen eine Anwendung in der
Antennentechnik, vornehmlich in der Ausfuhrung spharischer Reflektoren zur
Strahlbundelung oder ebenflachiger Spiegel zur Strahlumlenkung. Daruber
hinaus ist es maglich, die Ruckstrahlung eines Objektes zu dessen Ortung
nach bekannten Methoden zu nut zen oder aber durch streuende Reflexion die
elektromagnetische Energie in Raume zu ubertragen, die fur geradlinige
Ausbreitung nicht zuganglich sind.
Andererseits bedeutet bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen die
Umlenkung eines Strahlungsanteils die Ausbildung von Mehrfachwegen und
von starenden Interferenzen, die Reflexionen an Grenzschichten dagegen
eine Schwa chung der zum Empfanger ubertragenen und dort nutzbar werdenden
Energie.
Die Reflexion start sodann erheblich bei der Durchfuhrung von Freiraum
und quasi-optischen Messungen in Innenraumen, wie sie bei kurzen Mikro
wellen ublich sind.
Letztlich kann eine Reflexion auch bei der Ortung unerwunscht werden,
wenn namlich die ubermaBige Ruckstrahlung von Flachen oder Objekten ent
weder in keinem Verhaltnis zu deren Bedeutung fur die Ortung steht oder
das Erkennen der eigentlich ortungswichtigen Objekte durch Verdeckung
unmaglich macht.
Die beginnende technische Nutzung der mm-Wellen fur die Ortung, Steuerung
und Nachrichtenubertragung macht notwendig, das Verhalten naturlicher und
kunstlicher Reflektoren auch in diesem Wellenbereich zu untersuchen.
1.2 Der Reflexionskoeffizient
Das Reflexionsverhalten einer Flache wird durch den Reflexionskoeffi
zienten Roder durch den Ruckstrahlquerschnitt ~beschrieben. Der
Sei te 5
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N
A b b i I dun g 1
Reflexionskoeffizient ist aus der Leistungsaufteilung der auf eine Grenz
schicht auffallenden elektromagnetischen Welle definiert:
2 2
( 1 ) N = NR + NT = R N + T N
Die zweite Darstellung ist in der Technik der Funkortung gelaufig und
wird immer dann gewahlt, wenn die reflektierende Flache den Strahlquer
r
schnitt einer durch den Poyntingschen Vektor beschriebenen Anstrahlung
nur teilweise flillt und der auf das reflektierende Objekt einfallende
Strahlungsteil - auf den die Beschreibung durch den Reflexionskoeffi
zienten R sinnvoll bezogen werden konnte - nicht bekannt ist. AuBerdem,
wenn infolge der endlichen GroBe des reflektierenden Objektes und seiner
raumlichen Gestalt die Rlickstrahlung durch Beugung und Streuung bee in
fluBt wird, was durch den Reflexionskoeffizienten als spezifische GroBe
nur schwierig darzustellen ist:
(2)
----------------~C>
<JI--+--'
<]f----.....:.......,.
A b b i I dun g 2
Sei te 6
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Der Reflexionskoeffizient R ist von Form, Oberflache und Material des
Reflektors und von Richtung, Polarisation und Frequenz der auffallenden
Strahlung abhangig.
1. 31
Der EinfluB der auBeren Form der reflektierenden Flache auf die Rtick
strahlung ist nur bei regelmaBiger Gestalt einer Darstellung zuganglich
und legt die Wahl des Ruckstrahlquerschnitts Bei einer experi
~nahe.
mentellen Bestimmung von 6 oder R ist er in das Ergebnis eingeschlossen.
Allgemein folgt aus der geometrischen Optik eine Zerstreuung der Ruck
strahlung an raumlich gekrummten Flachen, und eine Konzentration der
Ruckstrahlung in bestimmte raumliche Richtungen bei der spiegelnden Re
flexion an ebenen Flachen. Die durchgeftihrten Messungen beschranken sich
auf die senkrechte Anstrahlung ebener Proben.
1.32
Sind die auBeren Abmessungen des Reflektors vergleichbar zur Wellenlange,
so wird die Beugung wirksam, was bedeutet, daB die Reflexion einer Flache
zudem von deren linearen Abmessungen 1 - bezogen auf die WellenlangeA -
abhangt:
1.33
Eine Rauhigkeit der Reflektoroberflache bedeutet Verminderung der Re
flexion, vornehmlich durch Beugung und Zerstreuung am einzelnen Rauhig
keitselement. Solange die GroBe des Rauhigkeitselementes etwa 1/30 der
Wellenlange nicht uberschreitet, bleibt dieser Effekt bei ebenen Reflek
toren erfahrungsgemaB unbedeutend. Er geht jedoch in die experimentelle
Bestimmung des Reflexionsfaktors Rein.
1. 34
t
Der EinfluB der Materialeigenschaften undjU auf die Reflexionsqualitat
ist fur die allgemeine Flache durch:
darzustellen. Die GroBe ~ bedeutet den Reflexionsquerschnitt einer
o
Flache gleicher Form und Abmessung aus idealreflektierendem Material.
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Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Unter der Voraussetzung einer einfachen, ebenen, unbegrenzt ausgedehnten
und glatten reflektierenden Grenzschicht zwischen zwei elektrisch ver
schiedenen Medien 1 und 2 ist R bei Einfall einer ebenen Welle aus der
Richtung ~ durch die FRESNELschen Gleichungen beschrieben:
. 21> I
Jc os ~ - Zo~ 1 - s~n _
tr
~e -j~ =
j coso/ + Zo~ 1 - sin2 ~
tr
mit: t = t o t r tr = t' - j t"
)J.r = ft' - j).l"
l{[; m n (1 - j X)
t' = n 2 (1 _ X2) t." t,' tg J = 2 n2 ;e2
n 2 2t".' (~ 1 + tg 2 J I - 1 ) ;e2 ~1 + tg2 ~I - 1
I
~1 + tg2 J + 1
A ~
a2 =f Z2 =T
0
0
und V
I
Z cos ~ - J - s~. n 2 <_P
0 1 tr
( 4) R" (~, t ,p) .= R e-jip
y
3 ~ . 2 ~_
Z cos ~ + s~n
1
0 tr
Gleichung (3) gilt fur eine linearpolarisierte Welle, deren elektrischer
Feldvektor zu der reflektierenden Ebene parallel liegt, Gleichung (4) fur
eine zur reflektierenden Grenzschicht vertikale Polarisation (Abb. 3).
Fur senkrechte Anstrahlung gilt:
-yr; -
(n-1)-jn)f
(5) -yr;
(n+1)-jnX
+ 1
Sei te 8
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z
o
1
1111111111111111/ ./1111///111//1//
I
t ,)L
2
I
A b b i 1 dun g 3
Hierbei ist:
und
'f = arc tg [ 2 2n Jl2
n(1+Jl)
Flir verlustfreies Material ergibt sich daraus:
(6) 1iR.1 = R = n - 1
n + 1
Folgt in einer Tiefe d eine zweite reflexionswirksame Grenzschicht 2-3,
so ist die resultierende Wirkung dieses Systems von dem gegenseitigen
Abstand d der Grenzflachen abhangig (Abb. 4):
(3212 + Fd 2 3l.23
(7)
2 ~23
1 + Fd (R,12
mit:
Einer solchen Anordnung zweier Grenzschichten entspricht die in 4.31 in
ihrem Reflexionsverhalten dargestellte plattenformige Probe endlicher
Dicke und Durchlassigkeit.
Sei te 9
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
A b b i 1 dun g 4
1.35
Aus dem Vorhergehenden ergibt sich eine Abhangigkeit des Reflexionsfak
tors einer Flache von der Einfallsrichtung der Primarstrahlung und von
der Empfangsrichtung des Reflexes: einmal bedingt durch die Gestalt der
Flache, zum anderen durch die bereits fur die ebene Grenzschicht in den
FRESNEL-Gleichungen (3) und (4) enthaltene Winkelabhangigkeit. Die eige
nen Messungen beschranken sich auf die Bestimmung des Reflexionsfaktors
R~ fur senkrechte Anstrahlung.
1. 36
Frequenz und Polarisation der einfallenden Welle beeinflussen den Re
flexionsfaktor uber die Frequenzabhangigkeit der Beugung und der Material
t
eigenschaften und}L sowie tiber die unterschiedliche Reflexionswirkung
der Grenzschicht auf Tangential- und Normalkomponente. Die benutzte An
ordnung gestattete neben der Messung bei 30 000 MHz einen Betrieb auf
10 000 MHz zu einer Prufung dieser Frequenzabhangigkeit. Eine Messung
im Zwischenbereich war nicht moglich. Zu Zwischenwerten und zu langeren
Mikrowellen hin wurde in einigen Fallen durch Ubernahme von Werten aus
der Literatur extrapoliert.
2. Destimmungsmethoden
2.1
Die Bestimmung der Reflexionswirkung einer Flache ist einmal moglich aus
der vorstehend beschriebenen Abhangigkeit von Material und geometrischer
Sei te 10
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Form, sowie Einfallrichtung und Polarisation der Strahlung. Sie ist sinn
voll flir einfache und regelmaBige Reflektorausflihrungen und setzt voraus,
t
daB und)4 flir die Betriebsfrequenz bekannt sind. Von dieser Moglichkeit
ist im folgenden zur Kontrolle der eigenen Messung Gebrauch gemacht wor
t
den, soweit Werte flir und)A in der Literatur zuganglich sind.
2.2
Bei Mikrowellen ist eine experimentelle Bestimmung des Reflexionskoeffi
zienten mit quasi-optischen Methoden moglich. Hierbei wird die Reflexion
an einer Grenzschicht im freien Raum dargestellt und aus dem Verhaltnis
von einfallender und rlickgestrahlter Leistung der Reflexionsfaktor be
stimmt [1J.
Allen Verfahren gemeinsam ist die Ausflihrung der Materialprobe als ebene
Flache. Sie unterscheiden sich jedoch in der Art der Anstrahlung, Messung
und Auswertung.
Der Reflexionsfaktor R der einfachen Grenzschicht wird nur dann gemes-
sen, wenn die Rlickseite der Probe nicht mehr als zweite Grenzschicht re
flexionswirksam ist, d.i. bei genligender Dicke und Absorptionswirkung
des Materials, oder bei Anpassung der rlickwartigen Grenzschicht auf das
Medium 3 (vgl. 4.312). 1m anderen FaIle liefert die Messung den Reflexions
faktor Rd einer Platte.
Es sind sowohl die senkrechte Anstrahlung als auch eine solche unter der
P
Neigung liblich (Abb. 5a und b). Die Anstrahlung unter einem Winkel ~
gestattet die raumliche Trennung von Sender S und Empfanger E und so die
S E
6
S
~
p
P
A b b i I dun g 5a A b b i I dun g 5b
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