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Drehfunkfeuer
Die Erfindung bezieht sich auf Drehfunkfeuer, insbesondere auf solche, deren Trägerwelle eine Phasenmodulation aufweist.
Bei Drehfunkfeuersystemen ist die Genauigkeit der Anzeige naturgemäss von grösster Wichtigkeit, weil ein Fehler, der auf irgendeine Art zustande gekommen ist, eine falsche Positionsangabe für ein das Funkfeuer benutzendes Flugzeug hervorruft. Die Hauptursache für derartige Fehler ist die Reflexion der ausgesendeten Signale an Hindernissen im Gelände, wie Gebäuden, Masten usw. Es ist seit langem bekannt, dass die Phasendifferenz zwischen der direkt zum Empfangsort gelangten Welle und einer an einem Hindernis reflektierten und dann empfangenen Welle die Grösse des Fehlers der Azimutmessung stark beeinflusst, ebenso wie die Phasendifferenz der auf den Trägern übertragenen Modulationsfrequenzen. Das
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die Phase der Trägerwelle zwischen dem direkt empfangenen und reflektierten Strahl irgendeinen Wert annehmen kann.
Demgemäss kann also empfangsseitig bei der Messung des Azimuts irgendein Fehler entstehen ; dieser kann sehr gross, klein oder auch Null sein. Wie dem auch sei, es wird jedenfalls ein nicht voraus zu bestimmender Fehler inder Azimutmessung enthalten sein, der davon abhängt. in welcher Lage Sender, Empfänger und reflektierendes Hindernis zueinander im Augenblick der Messung sich befinden. Es se ; L nun vorausgesetzt, der Sender verändere seine Lage etwas. Die Veränderung der Lage braucht nicht einmal beträchtlich zu sein, um eine grosse Änderung der Phasenbeziehungen zwischen direktemund reflektiertem Strahl am Empfangsort herbeizuführen. Der Fehler in der Azimutmessung ist jedenfalls, ganz allgemein gesprochen, nun ein anderer als wie der vor der Veränderung der Lage des Senders.
Wenn der Fehler vorher gross war, so kann er nun klein sein, jedenfalls kann seine Grösse von vornherein nicht bestimmt weiden. Wenn der Sender nun seine Lage dauernd in irgendeiner Weise, beispielsweise periodisch ändert, so entspricht jeder dieser Lagen empfangsseitig ein ganz bestimmter Fehler in der Azimutmessung. Daraus kann ein Mittelwert festgestellt werden, und die Azimutmessung wird genauer, wenn man diesen Mittelwert berücksichtigt. Wollte man dieses Prinzip in die Praxis umsetzen, so könnte man eine Vielzahl von Antennen vorsehen, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind und mit Hilfe einer Schalteinrichtung in einer bestimmten Reihenfolge mit dem Sender verbunden werden. Empfangsseitig muss naturgemäss das Schaltprogramm bekannt sein, um die von den einzelnen Antennen herrührenden Wellen voneinander trennen zu können.
Ein solches System wäre jedoch für die Praxis zu kompliziert und auch zu teuer. Es ist jedenfalls erforderlich, den Empfänger laufend mit Azimutangaben zu versehen, wobei zu berücksichtigen ist, dass diese Daten in jedem Augenblick mehr oder weniger durch das "Gei- stersignal"getrübt sind. Der Empfänger verarbeitet diese Daten zu einer gemittelten Azimutangabe.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Funkfeuer zu schaffen, bei dem die Sendeantenne hinsichtlich ihrer Lage bzw. deren Strahlung hinsichtlich ihres Charakters kontinuierlich so variiert wird, dass die oben be- schriebenen Messfehler vermindert werden, ohne dass beträchtliche Änderungen der'bisher benutzten Empfänger notwendig werden. Das wird bei den heutzutage benutztenbekanntenDrehfunkfeuern erfindung gemäss dadurch erreicht, dass die mittels eines rotierenden Richtdiagrammes ausgestrahlte Welle phasenmoduliert ist. Die Phasenmodulation der Strahlung wird in bekannter Weise dadurch hervorgerufen, dass die Drehfunkfeuerantenne entweder um einen ausserhalb ihrer Achse gelegenen Punkt rotiert oder die ausgestrahlte Welle selbst in bestimmter Weise phasenmoduliert wird.
Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert.
Fig. l zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform gemäss der Erfindung, Fig. 2 zeigt
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einen Schnitt entlang der Linie 2 - 2 der Fig. l, in Fig. 3 ist schematisch die Empfangsanordnung für ein Drehfunkfeuer dargestellt, in Fig. 4 werden die Beziehungen zwischen Sendeantenne, Empfänger und reflektierendem Hindernis erläutert, Fig. 5 ist eine graphische Darstellung des durch die Reflexion entstan - denen Fehlers in Beziehung zum Winkel der von den Verbindungslinien Sender-Empfänger und SenderHindernis gebildet wird und in Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Das in Fig. l und 2 dargestellte Drehfunkfeuer 1 besteht in der Hauptsache aus der Sendeantenne 2, einem Sender 3, der mittels der Leitungen 4 und 5 mit der Sendeantenne 1 verbunden ist, einem Motor 6. der mittels der Welle 7 und eines Dreharmes 8 mit der Antenne 1 gekuppelt ist. Die Antenne 1 wiederum besteht aus einem kleinen rotierenden Dipol 9. der mittels eines Motors 10, angetrieben wird, der auf der mit dem Bezugszeichen 11 versehenen Isolierplatte montiert ist. Über dem Dipol. 9 ist eine Schleifenantenne 12 montiert, die ein Rundstrahldiagramm erzeugt.
Die Platte 11 und die Schleifenantenne 12 werden mittels Tragrohren 13 auf einer Grundplatte 14 montiert, an welcher auch der Dreharm 8 befestigt ist. Die Schleifenantenne 12 besteht aus einer mit Schlitzen versehenen Platte, die auf den Tragrohren 13 justierbar befestigt ist, um die gewünschte Resonanzbelastung für den Dipol 12 herstellen zu können und die kapazitive Blindkomponente des Dipols zur Erlangung der gewünschten Strahlungseigenschaft kompensieren zu können. Zum besseren Verständnis der konstruktiven Einzelheiten der Schleifenantenne 12 trägt die Fig. 2 bei. Die leitende Scheibe 15 ist kreisrund und besteht aus Kupfer, Messing, Aluminium oder sonst einem gut leitenden Material. In der Scheibe sind vier radiale Schlitze 16 und 16a sowie 17 und 18 vorgesehen.
Die rechtwinkelig zueinander stehenden Schlitze unterteilen die Scheibe in vier gleiche Sektoren. Es kann jedoch jede beliebige Anzahl von Schlitzen gewählt werden, sie muss nur so gewählt sein, dass eine konstante Stromverteilung für ein bestimmten Durchmesser der Scheibe besteht. Die Schlitze brauchen auch nicht gerade und radial zu sein. Sie können vielmehr jede beliebige Gestalt haben, sie müssen nur alle die gleiche Gestalt und die gleiche Länge haben. Die Speisung der Schleifenantenne erfolgt an den vier Enden der Schlitze an der der Peripherie der Scheibe zugewandten Seite. Eine koaxiale Speiseleitung 19 ist an einen im Mittelpunkt der Scheibe angebrachten Verteilerkasten 20 geführt, von dem aus die Energie mittels koaxialer Kabel 21 an die einzelnen Schlitze gelangt.
Der Innenleiter 22 dieser koaxialen Kabel ist in der Nähe des äusseren Endes eines jeden Schlitzes herausgeführt und kreuzt an dieser Stelle den Schlitz. Ein weiteres Stück einer koaxialen Leitung 23 befindet sich jenseits des herausgeführten Innenleiters 22 und bildet so eine einseitig offene koaxiale Stichleitung zum Zwecke der Anpassung. Jeder der vier Schlitze wird also an seinem äusseren Ende gespeist, so dass eine gleichphasig Speisung aller Schlitze erfolgt. Die elektrische Länge der Schlitze 16 und 16a, 17 und 18 wird durch Kurzschlussbügel 24 bestimmt. Die Kurzschlussbügel sind einstellbar, so dass ein nahezu kreisförmiges Strahlungsdiagramm erzeugt werden kann.
Die koaxialen Speiseleitungen 21 und 23 für jeden einzelnen Schlitz können obendrein in ihrer Länge so gewählt werden, dass die richtige Impedanz am Verteilerkasten 20 entsteht. Die koaxiale Leitung 23 ist gewöhnlich eine einseitig offene Leitung mit kapazitiver Impedanz, um die induktive Komponente der Schleife kompensieren zu können.
Die rotierende Dipolantenne 9 wird im Uhrzeigersinne mittels des Motors 10 angetrieben, u. zw. beim VOR-System mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit, die einer Frequenz von 30 Hz entspricht. Mit dieser Frequenz wird das vom Sender 3 erzeugte Trägersignal amplitudenmoduliert. Gleichzeitig rotiert die Antenne 2 im umgekehrten Uhrzeigersinn um die Achse des Motors 6 mit einer kleineren Umdrehunggeschwindigkeit als 30 Hz. Diese Umdrehungsgeschwindigkeit wird aus mechanischen Gründen, wegen des Gewichtes der Sendeantenne und der Länge des Dreharmes 8 ; klein gewählt. Die aus den Leitungen 4 und 5 kommende Hochfrequenzenergie wird über Schleifringe 25 und 26 zur Schleifenantenne 12 sowie zur Dipolantenne 9 geleitet.
Das inFig. 3 gezeigte Empfangsgerät besteht aus dem üblichen Empfänger 28 und der Empfangsantenne O'g. Dem Empfänger 28 ist ein Filter 30 nachgeschaltet, dessen Ausgangsspannung dem Auswertegerät 31 zugeführt wird.
Die Arbeitsweise des Drehfunkfeuers wird mit Hilfe der Fig. 4 und Snoch näher erläutert. Eine rotierende Kdrdioide wird mit Hilfe eines rotierenden Dipols 9 und einer festen Schleifenantenne 12 erzeugt.
Ein Hindernis 33 reflektiert einen Teil der ausgesendeten Energie und dieser gelangt dai. n zum Empfänger 27a. Der Winkel, der von den Verbindungslinien Empfänger-Sender-Hindernis gebildet wird, sei < j !) ge- nannt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Antenne um ihre eigene Achse im Uhrzeigersinne sei ss. und die Umdrehungsgeschwindigkeit der Antenne um eine Achse o in einer Entfernung s von der Antenne sei 0 :. wobei 0 : die entgegengesetzte Richtung von ss hat. Es sei zunächst der Fall betrachtet, dass CL nicht existiert, der Dipol also nur um seine eigene Achse rotiert.
Für ein gewöhnliches VOR-oder Tacan-Funft- feuer (bei Tacan naturgemäss nur für die Grobmessung) beträgt der maximale Fehler E bei der Azimut-
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zwischen den Verbindungslinien Empfänger-Sender-Hindernis bedeutet. In Fig. 5 ist dieser Fehler in Abhängigkeit vom Peilwinkel gezeigt und in der Kurve 34 dargestellt. Der Maximalwert von E tritt bei 90 und 2700 ein, während bei 0 , 180 und 3600 der Fehler ein Minimum ist. Es sei nun der Fall betrachtet, dass ausser der Umdrehungsgeschwindigkeit ss auch die Umdrehungsgeschwindigkeit a existiert. Die Differenz dieser beiden Werte, also ss-oc ist also die tatsächlich wirksame Modulation, w1ederEmpfánger sie sieht.
Dieser Wert sei p genannt. Der Wert p wird so gewählt, dass die in Verbindung mit den bei bekannten Systemen benutzten Empfänger keine Änderung erfahren, ausgenommen die Hinzufiigung des Filters 30. Wie bereits ausgeführt, wird ct so gross gewählt, wie es mechanische Gesichtspunkte zulassen, und kann eine oder auch fünf Umdrehungen pro Sekunde betragen. Der Wert von ss wird dann so einge-
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ist der Radius des Kreises, auf dem sich die Antenne bewegt und X ist die Arbeitswellenlänge des Funkfeuers. Als spezielles Beispiel sei ein Funkfeuer mit einem reflektierenden Hindernis in ungefähr 300 m Entfernung angenommen. Die Arbeitswellenlänge bei diesem Funkfeuer betrage ungefähr 3 m.
Wählt man nun s ungefähr 2,5 m, so ergibt sich für diese vorgegebenen Bedingungen, wie aus der obigen Formel leicht ausgerechnet werden kann, ein maximaler Fehler, der nur 1/8 desjenigen beträgt, wenn die An-
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ungefahr2700 lag.
Im Falle der sich auf einem Kreise bewegenden Antenne besteht das Richtungssignal am Ausgang des Empfängers aus vielen Harmonischen der Grundfrequenz a sowie der Frequenz p. Die gewünschte Richtuhgsinformation ist in der Frequenz p enthalten. Um diese auszusieben, bedarf es eines sehr selektiven Filters 30.
Es ist jedoch in der Praxis nicht gut möglich, die Antennenkonstruktion eines mit einer Wellenlänge von 3 m arbeitenden VOR-Funkfeuers auf einem Kreise mit einem Radius von ungefähr 2,5 m rotieren zu lassen. Jedoch ist das bei den Tacan-Funkfeuern durchaus möglich, die wie bekannt, mit einer Wellen- länge von 30 cm arbeiten. Der Wert s wird dann entsprechend verkleinert und beträgt dann nur noch ungefähr 25 cm.
Es ist natürlich nicht der Bewegung der Sendeantenne auf einem Kreise zuzuschreiben, dass der Fehler in der Azimutmessung verkleinert wird, sondern es ist die durch die Bewegung der Sendeenergie erteilte Phasenmodulation bzw. die am Empfangsort auftretende Phasendifferenz zwischen direktem undreflektiertem Strahl.
Eine ähnliche Verkleinerung des Fehlers kann auch dadurch erreicht werden, dass die vom Funkieuer ausgestrahlte Hochfrequenzenergie direkt phasenmoduliert wird, anstatt die Antenne auf einem Kreise umlaufen zu lassen. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt. Die Sendeantenne 2a, die mit der Antenne 2 der Fig. l identisch ist, ist mit dem Sender 3a verbunden. Die Phasenmo- dulation der Hochfrequenzenergie wird in bekannter Weise von einem Phasenmodulator 36 in Verbindung mit dem Sender 3a bewerkstelligt. Bei dieser Ausführungsform würde der maximale Fehler
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E bet2s # gefähr dem Werte-in dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, kann man auch ähnliche Ergebnisse erwarten.
Es ist noch zu bemerken, dass bei dem Beispiel der direkten Phasenmodulation h zur Erlan- gung von guten Ergebnissen entsprechend den kleineren Werten r, welche möglich sind, gewählt werden muss. Mit andern Worten, der günstigste Wert h bzw. der Frequenzhub, muss entsprechend den dem Funkfeuer am nächsten liegenden reflektierenden Hindernissen von Fall zu Fall festgelegt werden.
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