Sichtfunkpeiler nach dem Doppelkanalprinzip
Die Erfindung betrifft einen Sichtfunkpeiler nach dem Doppelkanalprinzip mit unmittelbarer Anzeige auf einer Braunschen Röhre, und ihr Wesen besteht darin, dass Antennen mit einseitig gebündeltem Richtdiagramm so auf dem Umfang eines Kreises angeordnet sind, dass jedes Richtdiagramm mit seiner Symmetrielinie nach aussen zeigt und dass der öffnungs- winkel der Hauptkeule jedes Richtdiagramms, welcher durch die beiden in radialer Richtung verlaufenden Tangenten an die Hauptkeule bestimmt ist, doppelt so gross ist wie der durch den Winkelabstand der Symmetrielinien zweier benachbarter Richtdiagramme gegebene Zentriwinkel,
und dass jedes Richtdiagramm ausgehend von seinem Berührungspunkt mit jeder der beiden in radialer Richtung verlaufenden Tangenten bis zu seinem Maximum mindestens angenähert sinusförmig verläuft und dass die Ausgänge der Richtantennen über eine Spannungs-Reduzierschaltung mit den vier Eingangsklemmen des Anzeigegerätes verbunden sind, wobei die Elemente der Reduzierschaltung so bemessen sind, dass die Empfangsenergie jeder Richtantenne auf die gekreuzten Ablenksysteme der Braunschen Röhre im Verhältnis von cos m cx zu sin m a verteilt ist, wobei oc der Winkel zwischen der Symmetrielinie einer Richtantenne und der Nullrichtung des Antennensystems ist, und wobei m einen Wert von mindestens 1/2 besitzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Antennen mit einseitig gebündeltem Richtdiagramm nebeneinander auf dem Umfang eines Kreises in einer einzigen Horizontalebene angeordnet. In einer ande ren Ausführungsform der Erfindung sind die Antennen mit einseitig gebündeltem Richtdiagramm übereinander mit gegenseitiger Versetzung unter Benutzung einer vertikalen Achse in verschiedenen Horizontalebenen untergebracht.
In Weiterbildung der Erfindung werden für die Seitenbestimmung die den beiden Ablenksystemen zuzuführenden Energieanteile jeder Richtantenne nur je einer einzigen Eingangsklemme der beiden Kanäle des Doppelkanalverstärkers zugeführt und die Seitenbestimmung erfolgt dadurch, dass entweder diese beiden Eingangsklemmen oder die beiden ihnen gegenüberliegenden geerdet werden, und dass aus dem Verschwinden oder Nichtverschwinden der Peilfigur in einem der beiden Erdungszustände nach einer festgelegten Regel die Seitenbestimmung erfolgt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann hierbei der Faktor m gleich 1 gewählt werden, so dass sich eine Verteilung mit dem Verhältnis cos a : sin a ergibt und der auf dem Bildschirm auf einer 360 -Skala angezeigte Winkel identisch ist mit dem Azimut der einfallenden Welle.
In einer anderen Ausführungsform besteht die Weiterbildung der Erfindung darin, dass zur unmittelbar seitenrichtigen Peilanzeige mit Hilfe einer Reduzierschaltung die Empfangsenergie jeder Richtantenne auf die beiden gekreuzten Ablenksysteme der Braunschen Röhre in einem solchen Verhältnis verteilt wird, wie es sich aus dem Verhältnis von a a cos- : sin-ergibt, wobei a der Winkel ist, den
2 2 die Symmetrielinie einer beliebigen Richtantenne mit der Nullrichtung des Antennensystems einschliesst, so dass eine halbkreisige 360 -Skala notwendig wird, durch die zwangsläufig eine seitenrichtige Peilablesung gegeben ist.
In einer weiteren Ausführungs- form für besondere Anwendungszwecke der Erfindung wird zur unmittelbar seitenrichtigen Peilanzeige bei Peilanlagen, die nicht im vollen Azimut von 360 , sondern nur in einem bestimmten Sektor mit dem Zentriwinkel 8 peilfähig sein sollen, mit Hilfe einer Reduzierschaltung die Empfangsenergie jeder Richtantenne auf die beiden gekreuzten Ablenksysteme der Braunschen Röhre in einem solchen Verhältnis verteilt, wie es sich aus dem Verhältnis von cos 180 a 180 a () :
sin () ergibt, wobei a der Winkel ist, den die Symmetrielinie einer beliebigen Richtantenne mit der Nullrichtung des Antennensystems einschliesst, so dass sich eine halbkreisige Skala für den Sektorwinkel 8 mit seitenrichtiger Peilanzeige bei grösstmöglicher Ablesegenauigkeit ergibt.
Im Gebiet noch kürzerer Wellen, also insbesondere im Gebiet der Dezimeter-und Centimeterwellen, ist das Doppelkanalprinzip für einen Sichtfunkpeiler zunächst nicht mehr anwendbar, weil für den Empfang solcher Wellen im allgemeinen Empfangsanordnungen mit starker Bündelung, wie sie durch lineare Gruppen erreicht werden, benötigt werden. Aber auch schon im Gebiet der Meterwellen kann der Doppelkanal-Sichtfunkpeiler in Verbindung mit Mehrfach Adcockantennensystemen nur beschränkt angewendet werden, nämlich nur dann, wenn ausreichende Peilfeldstärken zur Verfügung stehen.
Aber gerade in den Fällen, wo ein Peiler in der Flugsicherung oder in der Funkuberwachung dringend gebraucht wird, wo nämlich so geringe Empfangsfeldstärken vorhanden sind, dass man für den reinen Empfang bereits Richtantennen mit scharfer Bündelung benötigt, musste man auf einen Peiler mit den Anzeigemöglichkeiten des Doppelkanalprinzips bisher verzichten.
Dieser Mangel soll nun insbesondere durch die vorliegende Erfindung behoben werden. Das Wesen der erfindungsgemässen Vorschläge besteht darin, dass ein Antennensystem verwendet wird, dessen einzelne Antennen nicht mehr wie beim Adcock aus ungerichteten Strahlern bestehen, sondern z. B. aus Elementengruppen mit stark gebündelten Charakteristiken, wie man sie für reine Empfangszwecke vorzugsweise im Dezimeter-und Centimeterwellengebiet verwendet. Dabei ist es gleichgültig, wie im einzelnen eine solche Richtantenne aufgebaut ist. Sie kann z. B. aus sogenannten geraden Gruppen aufgebaut sein (wie man sie u. a. z. B. für die Fernsehempfangsantennen gebraucht), bei denen einzelne Dipole in einem bestimmten Abstand auf einer geraden Linie angeordnet sind, oder z. B. auch als Hornstrahler.
Es können aber z. B. auch Schlitzantennen (wie sie in der Radartechnik verwendet werden), die aus einem geradlinigen Hohlleiter bestehen, benutzt werden oder auch Richtantennen z. B. unter Verwendung von Parabel-oder kugelförmigen Reflektoren.
Diese Antennen werden nun entsprechend den erfindungsgemässen Vorschlägen so zu einer Kreisgruppe angeordnet, dass die Richtcharakteristik jeder einzelnen Richtantenne mit ihrer Symmetrielinie in radialer Richtung verläuft. Dazu kann man z. B. die einzelnen Gruppen auf einer vertikalen Zentralachse so montieren, dass jede Gruppe gegen die benachbarte mit ihrem Maximum um einen bestimmten Winkel verdreht und in der Höhe etwas versetzt ist. Solche Anordnungen wird man dann verwenden, wenn man das Antennensystem aus bereits für Empfangszwecke vorhandenen Richtantennen aufbauen will.
Man kann aber beispielsweise auch das Antennensystem als Kreisgruppe aus einer Vielzahl von Antennen so aufbauen, dass die zu einer Richtcharakteristik gehörenden einzelnen Strahler nicht gegen die der benachbarten gerichteten Gruppe in der Höhe versetzt sind, sondern dass alle Strahler z. B. als vertikale Antennen auf einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Dabei ist dann die horizontale Ebene mit einzelnen Strahlern vorzugsweise so besetzt, dass diese Strahler auf konzentrischen Kreisen zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand der Strahler auf jedem Kreis und der Abstand der Kreise zueinander sowie die Anzahl der Kreise entsprechend der geforderten Form der Richtcharakteristik zu wählen sind.
Dabei können die in radialer Richtung verlaufenden Strahler zu einzelnen linearen Gruppen zusammengefasst werden. Solche Anordnungen wird man besonders dann projektieren, wenn man ein Richtantennensystem speziell für eine Peilaufgabe entwickelt und nicht auf bereits vorhandene, gerichtete Empfangsantennenanordnungen zurückgreifen muss.
Wenn man nun gemäss der erfindungsgemässen Vorschläge dafür sorgt, dass die einzelnen, die Kreisgruppe bildenden gerichteten Antennen so ausgebildet werden, dass jede Charakteristik von ihrem Empfangsminimum am Beginn der benachbarten Charakteristik ausgehend durch eine Sinus-Linie approximiert werden kann, dann lassen sich sämtliche Richtantennen so zusammenschalten, dass aus der Anordnung, in der die Zusammenschaltung erfolgt, zwei Spannungen entnommen werden können, von denen die eine in ihrer Amplitude ach einem sin-Gesetz und die andere nach einem cos-Gesetz des Azimutwinkels verläuft, wobei diese Spannungen den Eingängen des Doppelkanalgerätes zugeführt werden.
Es ist somit durch die Erfindung eine Anordnung geschaffen worden, die es ermöglicht, das Doppelkanalprinzip auch zur Peilung von so kurzen Wellen zu verwenden, die nur mit Hilfe von Antennenanordnungen mit gebündelten Richtcharakteristiken empfangen werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun im einzelnen unter Verwendung von vier Figuren erläutert werden.
Dabei zeigt :
Fig. 1 eine rotationssymmetrische Anordnung aus beispielsweise acht gebündelten Richtcharakteristiken,
Fig. 2 das Prinzip der Reduzierschaltung zum Anschluss der Antennen an den Doppelkanal-Sichtfunkpeiler,
Fig. 3 eine Reduzierschaltung für sechzehn Richtdiagramme,
Fig. 4 die Anordnung zweier benachbarter Richtdiagramme gemäss der Erfindung.
Die verwendeten Richtantennen besitzen eine im wesentlichen einseitig-keulenförmige Empfangskennlinie. Sämtliche unter sich gleichen Kennlinien sollen dabei von einem Zentrum ausgehend radial nach aussen gerichtet und mit gleichmässigem Abstand entweder über den ganzen Winkelbereich von 0-360 oder nur über einen bestimmten Sektor einer hori zontalen Ebene verteilt sein. Es besteht nun ein einfacher Zusammenhang zwischen der Zahl n der Richtkennlinien und der Winkelöffnung 2q, der Haupt
360 keule jeder Einzelkennlinie. Ist nämlich 2 $ < --, n so verbleiben zwischen den einzelnen Empfangskeulen tote Zonen, in denen überhaupt nicht empfangen oder
360 gepeilt werden kann.
Ist 2 qX =, so kann zwar n überall, wenn auch mit unterschiedlicher Empfindlichkeit, gepeilt werden. Dabei entsteht jedoch ein maximaler Peilfehler von q ?, da im Einzelfall nicht unterschieden werden kann, aus welchem Teilbereich der Keulenfläche die Strahlung einfällt. Dies ist nur dann bedeutungslos, wenn der dadurch verursachte Peilfehler kleiner ist als der aus anderen, z. B. apparativen Gründen ohnehin vorhandene Peilfehler, so wäre es z. B. möglich, bei einem üblicherweise zulässigen Peilfehler von 1 mit einer öffnung der Einzelkennlinie von 2 = 2 zu arbeiten, wobei dann im ganzen 180 gleichmässig verteilte Richtantennen angewendet werden müssen.
In den Fällen jedoch, in denen mit einer so hohen Bündelungsschärfe aus Gründen hinreichender Emp fangsfeldstärke nicht gearbeitet zu werden braucht, ist es zweckmässig, mit einer Uberdeckung der einzelnen Richtkennlinien zu arbeiten. Dabei kann dann nicht nur mit annähernd konstanter Empfindlichkeit, sondern bei besonderer Gestaltung der Kennlinien auch mit sehr geringen Peilfehlern empfangen und gepeilt werden.
Es genügt, wenn sich jeweils zwei aufeinanderfolgende Kennlinien überdecken. Die erfindungsgemässe Anordnung kann mathematisch durch folgende Beziehung ausgedrückt werden
360 n
Es wird demnach gefordert, dass von der einfallenden elektromagnetischen Strahlung stets zwei Richtantennen erregt werden sollen.
Die Fig. 1 zeigt als Beispiel eine derartige Anordnung von acht gleichmässig verteilten Kennlinien mit je 90 Öffnung (Winkel zwischen den beiden Radialtangenten) der Hauptempfangskeule. Genauso gut können in anderen Anordnungen beispielsweise auch 16 Kennlinien mit einem öffnungswinkel von jeweils 45 zur Anwendung kommen usw.
Um nun eine Anzeige auf dem Schirm der Braunschen Röhre des Doppelkanal-Sichtfunkpeilers zu erhalten, muss die von einer bestimmten Richtantenne der Kreisgruppe aufgenommene Energie entsprechend dem cosinus bzw. sinus vom aStandwinkel a (Winkel zwischen der Symmetrielinie einer Richtantenne und der Nullrichtung des ganzen Antennensystems) der Antenne auf die beiden Kanäle des Empfängers aufgeteilt werden. Ist, wie in Fig. 2, z.
B. der Verstärkerkanal I mit den Eingangsklemmen a und b dem vertikalen Plattenpaar der Braunschen Röhre zugeordnet und ebenso Kanal II mit den Eingangsklemmen c und d dem horizontalen Plattenpaar, so ist die (beliebig herausgegriffene) Richtantenne mit dem Standwinkel ax durch einen Leitwert gxa = k cosm, mit der Klemme a und durch einen Leitwert axe = k sinax mit der Klemme c zu verbinden, damit die geforderte Energieverteilung zustandekommt und der auf dem Bildschirm angezeigte Winkel q dem Winkel (X. ent- spricht (Fig. 2). (k kennzeichnet dabei einen konstanten Proportionalitätsfaktor).
Bei einer Anzahl von beispielsweise 16 Richtantennen kommt durch Anwendung dieses Energieverteilungsgrundsatzes auf alle Antennen die in Fig. 3 gezeigte Schaltung zustande. Die dabei benötigten Einzelleitwerte können durch Hohlleiter oder auch durch Kapazitäten verwirklicht werden und beispielsweise auch durch ein kapazitives Goniometer mit zwei gekreuzten Suchplattenpaaren dargestellt werden, wobei das eine Plattenpaar zu den Empfängerklem- men a und b und das andere Plattenpaar zu den Klemmen c und d führt.
Nun wird infolge der Überdeckung der Kennlinien aufeinanderfolgender Richtantennen im allgemeinen stets Energie aus zwei aufeinanderfolgenden Antennen an den Empfänger geliefert. Für fehlerfreie Peilung in den Fällen, in denen der Azimutwert p der einfallenden Welle nicht mit einem der Antennen standwinkel ax übereinstimmt, ist der genaue Verlauf der Empfangskennlinie von Bedeutung. Erfindungs- gemäss soll dieser Verlauf so gestaltet werden, dass er durch eine sinus-Linie angenähert wiedergegeben werden kann.
Mit den in Fig. 4 angegebenen Bezeichnungen ist dann der Kennlinienverlauf der Antenne x proportional dem Ausdruck sin (q ?-Ap) = sin ( (D + a-p) und der Kennlinienverlauf der Antenne (x + 1) proportional sinAp = sin (p-ax). Die Empfangskennlinien laufen unter dieser Voraussetzung in der Hauptempfangsrichtung spitz zu. Derartige Kennlinien sind unter der Bezeichnung Spitzstrahl oder (pencil beam bereits bekannt.
Bei Anwendung solcher Kennlinien wird unter Beachtung der Leitwertabstufung der Reduzierschaltung die Spannung an den Empfängerklemmen a, b durch folgenden Proportionalitätsausdruck dargestellt
Ua ¯ cos ax sin (@+α@-P)+COS(αx+@) sin (p-ax) = cos p sin @
Entsprechend wird die Spannung an dem anderen Klemmenpaar c, d Uc ¯ sin ax sin (+Kx-p) +sin ( < Xx+$) sin (p-ax) = sin p sin (D
Der auf dem Bildschirm angezeigte Winkel q ist identisch mit dem Azimutwert p und ergibt somit eine fehlerfreie Peilung, denn es ist
U sin p sin q ? tg q=-=-=tg p
Ua cos p sin @ oder q = p.
Wenn die Richtkennlinien nicht, wie bei einem erfindungsgemässen Peiler und wie bei den bisherigen Berechnungen vorausgesetzt werden musste, einen sinusförmigen Verlauf haben, dann könnte trotzdem von den oben angeführten Vorschlägen für die Zusammenschaltung von Richtantennen für die Peilung mit einem Doppelkanal-Sichtfunkpeiler Gebrauch gemacht werden. Man erhält jedoch dann nicht eine fehlerfreie Peilung, wie sie durch den Ausdruck q=p gekennzeichnet ist, sondern eine Fehlerkurve, deren Verlauf von der Form der zusammengeschalteten Richtkennlinien abhängig ist. Die Peilungen sind immer in den Richtungen der Symmetrielinien der Kennlinien fehlerfrei und auch in den Richtungen, die in der Mitte zwischen zwei Symmetrielinien liegen, wo sich also zwei benachbarte Kennlinien schneiden.
Bei 16 Kennlinien erhält man also z. B. eine 32stel- kreisige Fehlerkurve.
Die mit den bisher beschriebenen Massnahmen erhaltenen Peilanzeigen sind natürlich ebenso wie die Anzeigen bei Anschluss eines Kreuzrahmens an einen Doppelkanal-Sichtfunkpeiler noch doppeldeutig. Für die Seitenbestimmung bei Verwendung von gebündel- ten Richtkennlinien werden nun zwei verschiedene Ausführungsmöglichkeiten angegeben.
Die eine Seitenbestimmungsschaltung besteht darin, dass man eine Erdungsmöglichkeit für die vier Klemmenpunkte a, b, c, d, vorsieht. Erdet man beispielsweise die Eingangsklemme a und bleibt der Leuchtstrich erhalten, so weiss man, dass der Sender im Azimutbereich von 90 bis 270 liegt. Erdet man die Klemme c und bleibt der Leuchtstrich unverändert, so steht der Sender im Azimutbereich von 180 bis 360 . Man trifft nun die Einrichtung so, dass jeweils zwei benachbarte Klemmenpunkte geerdet werden und kann dann sofort angeben, aus welchem Quadranten die Strahlung kommt, wenn man als Kennzeichen des richtigen Erdungsknopfes festlegt, dass der Leuchtstrich bei Betätigung des Knopfes sich weder verlagern noch verschwinden darf.
Das folgende Schema ergibt die Beziehung zwischen der Funktion und der Beschriftung der vier Erdungsknöpfe : Funktion (= Erdung von) a, c c, b b, d d, a Peilquadrant in IV I II (Die Quadranten werden in üblicher Weise im Uhrzeigersinn von der Nullrichtung des Antennensystems beginnend gezählt.)
Die zweite Anordnung zur Seitenbestimmung er möglicht eine automatisch seitenrichtige Peilanzeige.
Dazu wird von der an sich bekannten halbkreisförmigen 360 -Skala derart Gebrauch gemacht, dass durch eine speziell bemessene Reduzierschaltung das ver Ïnderte Abbildungsgesetz des Peilwinkels q =p
2 zum Ausdruck kommt. Da nÏmlich immer tg q=gxc ist und nun tg q=tg p sein soll, sind die gxa 2 Leitwerte der Reduzierschaltung proportional dem cosinus bzw. sinus des halben Standwinkels ax der Antenne x zu bemessen ;
es ist demnach zu wählen a x a x gxc ¯ sin und gxa X cos
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Von der Veränderung des Abbildungsgesetzes zur Erzielung einer automatisch seitenrichtigen Peilanzeige kann nun mit besonderem Vorteil auch bei Peilanlagen Gebrauch gemacht werden, bei denen nicht für den vollen Azimutkreis von 360 eine Peilmöglichkeit verlangt wird, sondern die auf die Durchführung von Peilungen in einem bestimmten Azimutsektor ss beschränkt sind. Wenn also z. B. der interessierende Peilsektor (3 = 200 beträgt, dann ist es nicht zweckmässig, zur Erzielung einer seitenrichtigen Peilanzeige die Leitwerte für die Verteilung der Energie der einzelnen Richtantennen so zu bemessen, wie sie sich aus dem Abbildungsgesetz des Peilwinkels q =ergeben würden.
2
Bei einem interessierenden Peilbereich von nur 200 der normalen 360 -Skala würden bei dem Abbildungsgesetz q-nur 100'der Normalskala für
2 die Ablosung ausgenutzt werden, obwohl 180 zur Verfügung stehen. Die Massnahme für die Bestimmung der Leitwerte besteht in der Anwendung des
180p folgenden Abbildungsgesetzes : q =--,wobei wieder q der Peilwinkel auf dem Braunschen Rohr, p der Azimutwert, ax der Standwinkel der Antenne x und ¯ der Peilsektor ist.
Dadurch ergeben sich für die einzelnen Leitwerte der Reduzierschaltung folgende Beziehungen : 180α x 180α x gxc ¯ sin(-) und gxc ¯ cos ¯.¯
Bei dieser Dimensionierung der Leitwerte wird erreicht, dass die für eine seitenrichtige Peilanzeige immer erforderliche normale Halbkreisskala für jeden Sektor p voll ausgenutzt wird, so dass die Abstände zwischen den einzelnen Winkelgraden in jedem Fall so gross wie möglich werden und sich somit die grösst- mögliche Ablesegenauigkeit ergibt.