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Die Erfindung betrifft eine Peilantenne zur Bestimmung der Einfallsrichtung von elektromagnetischen Wellen vorzugsweise im UHF-SHF-Bereich, die mit nur drei Antennenelementen auskommt. Die Bestimmung der Einfallsrichtung findet für beliebige Azimutwinkel statt und benötigt keine elektrische oder mechanische Rotation.
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Zu den bekanntesten Peilantennenarten gehören Adcock- und Interferometerantennen. Die obere Frequenzgrenze bei Adcockantennen wird neben den Aperturabmessungen und Strahlenlängen durch Amplituden- und Phasengleichlauf der notwendigen Reduziernetzwerke bestimmt, die nur zu bestimmten Grenzfrequenzen – beispielsweise im unteren UHF-Bereich – zuverlässig realisierbar sind. Der Vorteil ist, dass diese Antennenart ohne Rücksicht auf die Strahleranzahl mit drei Empfangszügen für die anschließende Auswertung auskommt. Für höhere Frequenzbereiche werden Interferometerantennen benutzt, die ohne Reduziernetzwerke arbeiten. Die Fußpunktspannungen der einzelnen Strahler werden dabei direkt den Empfangskanälen zugeführt.
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Stehen nur drei Empfangszüge (s. o.) zur Verfügung, kann für oben genannte parallele Arbeitsweise ohne Antennenumschaltung lediglich ein Dreifachinterferometer – beispielsweise eine Anordnung mit Strahleraufteilung auf der Apertur unter 120° – gebaut werden. Bekanntlich wird die Interferometerpeilantenne derart dimensioniert, dass für eine eindeutige Peilwinkelbestimmung der Strahlenabstand d ≤ λ / 2 betragen muss, damit der gemessene Phasendifferenzwinkel zwischen benachbarten Strahlern φ = 180° zunächst nicht übersteigt ([1] ”Funkpeiltechnik”, 1989, Grabau/Pfaff, S. 173ff). Die obere Frequenzgrenze kann zunächst demnach beliebig durch geeignete Abmessungswahl bestimmt werden. Diese theoretische Vorschrift vernachlässigt jedoch die Strahlerverkopplung; infolge dieser Verkopplung wird der maximal erlaubte Phasendifferenzwinkel φ = 180° bereits bei wesentlich niedrigeren Frequenzen erreicht als die Dimensionierungsvorschrift angibt. Hinzu kommt, dass bei praktischer Antennenausführung weitere metallische Teile wie Antennenzuleitungen, Trägerkonstruktion usw. notwendig sind und dadurch zusätzliche Verkopplungseffekte hervorgerufen werden. Die obere nutzbare Frequenzgrenze schiebt sich dadurch weiter nach unten. Durch diesen Effekt werden auch bei Interferometerantennen durch Antennenabmessungsverringerung nicht beliebig hohe Frequenzgrenzen erreicht.
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Um den Frequenzbereich einer Peilantenne nach oben erweitern zu können, muss deshalb das Prinzip der genannten Antennenarten – d. h. der Peilantennen mit Phasenzentrum in der Aperturmitte – verlassen werden.
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Es wurden Peilsysteme mit kreisförmig angeordneten Richtantennen realisiert. In [2] ”Funkpeiltechnik”, 1989, Grabau/Pfaff, S. 211 wird eine solche Anordnung bestehend aus Richtantennen dargestellt. Als Vorteil gilt, dass durch das Verlassen des gemeinsamen Phasenzentrums in der Antennenmitte trotz der kurzen Wellenlängen, die Antennensystemabmessungen beliebig groß sein können. Je nach Frequenzbereich werden geeignete Richtantennen als Einzelelemente für ein solches System benutzt. Für den hier behandelten Frequenzbereich – oberer Teil UHF, unterer Teil SHF – können Reflektorantennen benutzt werden. In [3] ”Antenna Theory” 1997, Balanis, S. 786ff sind die Prinzipien dieser Antennenart erläutert; in [4] Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 1986, Meinke/Gundlach, S. N49 ist ein Beispiel für ein horizontales Richtdiagramm angegeben. Ein Hauptproblem dieser, in der Regel für maximalen Gewinn dimensionierten Antennen ist es, dass sie relativ schmale Keulen besitzen und dadurch für Peilzwecke viele auf einem Kreis angeordnete Einzelantennen benutzt werden müssen. Wesentlich schwerwiegender ist die Bildung von Nebenzipfeln bei Reflektroantennen, die bei peiltechnischen Aufgaben eine falsche Richtung vortäuschen oder zu Mehrdeutigkeiten führen können. Für eine Peilwinkelbestimmung müssen die Hauptkeulen einen eindeutigen Verlauf haben und die Nebenzipfel völlig oder soweit unterdrückt werden, dass keine mehrdeutige Winkelzuordnung möglich ist.
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Die Patentschrift
US 4,210,913 offenbart eine Vorrichtung zur passiven Detektion von mehreren Richtungssignalen die von einer Quelle in Form von Radiowellen abgestrahlt werden und eine Zuordnung zu einer Quelle anhand der Mehrzahl der empfangenen Signale. Die Vorrichtung hat eine Einrichtung zur Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten der gerichteten Informationen die von einer Quelle in Form von gepulster Strahlungsenergie geliefert werden.
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Die Patentschrift
DE 2842692 C2 betrifft ein Einkanal-Peilsystem und ein Verfahren für den Betrieb eines solchen Peilsystems. Die Einkanal-Peilanordnung mit mehreren Richtantennen, deren Richtdiagramme unterschiedlich ausgerichtet sind und sich gegenseitig überlappen und mit Hilfe eines Mehrwegschalters in aufeinander folgenden Schaltzyklen sequentiell an einen Empfänger angeschlossen werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Richtdiagramme mehrerer Richtantennen insgesamt nur einen Winkelsektor kleiner 360° überdecken.
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Die Patentschrift
DE 19629122 C2 betrifft einen hochauflösenden Funkpeiler zur Rundumpeilung mit einer Kreisgruppe als Antenne. Aufgabe der Patentschrift ist es, einen Funkpeiler für Rundumpeilung mit einer Kreisgruppe als Antenne zu schaffen, bei dem der Durchmesser der Kreisgruppenantenne optimal wählbar ist.
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In dem US Patent
US 4,114,157 wird eine Antenne offenbart, die in einem schmalen Frequenzbereich für Warnzwecke benutzt wird. Insbesondere ist es eine Aufgabe dieses US Patents eine besonderes kleine Antenne bereitzustellen, die keine genaue Positionsbestimmung in der Winkelgenauigkeit von einem Grad ermöglicht, sondern lediglich eine Grobbestimmung in Quadranten zulässt.
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Die Patentschrift
DE 3428726 C2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Funkpeilung bei kohärentem Mehrwellenempfang mit einer mehrere Elemente aufweisenden Antenne, wobei die momentanen Amplituden- und/oder Phasenwerte am Empfangsort an den Elementen der Antenne gegenüber einem Element der Antenne bestimmt werden.
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Als Peilverfahren kann beispielsweise das bekannte Vergleichsverfahren benutzt werden, wobei normierte Spannungsamplituden von allen Richtantennen vorab tabellarisch abgespeichert werden und der dazugehörige Peilwinkel ausgegeben wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Peilantenne für den genannten Frequenzbereich von 300 MHz bis 30 GHz zu finden, die lediglich aus drei breitbandig arbeitenden Richtsystemen besteht, sowie ein zugehöriges Verfahren.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 für die Peilantenne und durch die Merkmale des Anspruchs 9 für das Verfahren gelöst.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Einsatz einer Gruppe von drei Richtantennen gelöst. Das Richtdiagramm wird dabei durch das Einbringen von Reflektorwänden derart erzeugt, dass eine Überlappung zwischen benachbarten Richtdiagrammen eine eindeutige Zuordnung zu einem Azimutwinkel erlaubt. Die Reflektorwände werden ähnlich, wie bei einer Reflektorantenne in Form von Eckreflektoren angeordnet; gegenüber einer Reflektorantenne benutzt die erfindungsgemäße Antenne eine andere Dimensionierung insbesondere hinsichtlich der Reflektorapertur und Lage des Strahlers innerhalb des Reflektors, wie in den Ansprüchen definiert.
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Die Aufgabe wird durch Bilden von eindeutig verlaufende breitbandige Horizontaldiagramme ohne störende Nebenzipfel gelöst. Unter ”eindeutig” ist hier zu verstehen, das ein Amplitudenvergleich aller drei Fußpunktspannungen einem einzigen Peilwinkel zugeordnet wird.
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Die erfindungsgemäße drei Richtantennen aufweisende Peilantenne hat die Eigenschaft, drei Horizontalrichtdiagramme zu den entsprechenden Richtantennen bereitzustellen, anhand deren (Horizontalrichtdiagrammen) es möglich ist, mit nur einer Messung, und somit drei Messwerten bzw. Amplitudenwerten der entsprechenden Richtantennen, den Winkel bzw. Azimutwinkel einer Strahlungsquelle, bezüglich eines von der Peilantenne gebildeten Koordinatensystems, zu bestimmen. Dies bedeutet, dass die Peilantenne so konstruiert ist, dass aufgrund des Verlaufs und der Beziehung der drei Richtdiagramme jedes Messpunkttripel eindeutig in Beziehung zu einem Peilwinkel steht. Der Peilwinkel kann somit bestimmt werden ohne die Antenne zu bewegen oder zu rotieren. Weiterhin sind die drei Richtungsantennen vorzugsweise rotationssymmetrisch so konstruiert, dass jede Peilantenne für sich ein sehr ähnliches Horizontaldiagram aufweist und die Horizontaldiagramme untereinander nur um einen Rotationswinkel versetzt sind.
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Wie oben bereits hervorgehoben, weisen die erfindungsgemäßen Horizontaldiagramme, in der Polarkoordinaten-Darstellung, vorzugsweise jeweils nur eine Hauptkeule auf ohne störende Nebenkeulen bzw. Nebenzipfel, die zu Mehrdeutigkeiten bei der Winkelbestimmung führen können. Ein Horizontaldiagramm ohne störende Nebenkeulen entspricht in der Kartesischen-Darstellung, entsprechend der 3a, einer Funktion die zwei Wendepunkte aufweist. Um die Mehrdeutigkeiten zu eliminieren wird mehr als ein Richtdiagramm benötigt. Vorzugweise schneiden sich zwei Richtdiagramme genau zwei mal in dem einseitig offene Winkelintervall [0°, 360°).
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Technisch erreicht werden solche Richtdiagramme insbesondere dadurch, dass die einzelnen Richtantennen der Peilantenne im Vergleich zu einer gewöhnlichen Richtantenne andere Dimensionierungen aufweisen, und Beugungseffekte an den Reflektorkanten der einzelnen Richtantennen zulassen. Insbesondere ist die Richtwirkung einer erfindungsgemäßen Richtantenne geringer ausgeprägt als bei gewöhnlichen Reflektorantennen. Entsprechend ist ein Signal von einer Strahlungsquelle, die an einer der Richtantenne abgewandten Stelle angeordnet ist, größer als bei einer gewöhnlichen Reflektorantenne.
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Zur erfindungsgemäßen Bestimmung der Einfallsrichtung der elektromagnetischen Wellen, die von einer Strahlungsquelle im höheren Frequenzbereich ausgesendet werden, das heißt im UHF-SHF-Bereich (300 MHz–30GHz), wird eine erfindungsgemäße Peilantenne verwendet. Ohne die Peilantenne zu bewegen, d. h. auch ohne Rotation der Peilantenne reicht die Durchführung von einer Messung, die zu den drei Richtantennen der Peilantenne je einen Messwert bzw. Amplitudenwert liefert. Erfindungsgemäß wird anhand dieser drei Messwerte bzw. Amplitudenwerte eindeutig ein Azimutwinkel zu der Strahlungsquelle bestimmt. Durch Bestimmen der beiden betragsmäßig größten Amplitudenwerte kann bereits die linke oder rechte Hälfte des 120°-Sektors der Strahlungsquelle bestimmt werden. Durch Vergleichen der drei Amplitudenwerte der drei entsprechenden Richtantennen, kann schließlich der Azimutwinkel der Strahlungsquelle eindeutig zugeordnet werden. Die genaue Zuordnung zum Azimutwinkel erfolgt insbesondere durch Bildung der Quotienten der ermittelten Amplitudenwerte. Durch den Vergleich der ermittelten Quotienten mit zuvor in einer Tabelle abgelegten Quotienten, beispielsweise durch eine Eichmessung, kann durch Übereinstimmung der jeweiligen gemessenen Quotienten mit den Tabellenwerten der Peilwinkel bestimmt werden. Aufgrund der diskreten Tabellenwerte kann für die Fälle bei denen die ermittelten Quotienten keinen Tabellenwerten genau entsprechen zwischen den umgebenden Tabellenwerten interpoliert werden.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.
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1a zeigt eine perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung der Peilantenne.
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1b zeigt eine Schnittansicht der Gesamtanordnung der Peilantenne gemäß 1a.
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2a stellt einen Schnitt durch den berechneten Nahfeldverlauf einer optimal dimensionierten Peilantenne dar.
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2b stellt einen Schnitt durch den berechneten Nahfeldverlauf einer herkömmlich dimensionierten Reflektorantenne dar.
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3a zeigt das horizontal Diagramm einer erfindungsgemäß dimensionierten Peilantenne wie sie in 2a dargestellt ist.
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3b zeigt das horizontale Diagramm einer herkömmlich dimensionierten Reflektorantenne wie sie in 2b dargestellt ist.
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In 1a und 1b ist die Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen Peilantenne dargestellt, wobei 4 die Einzelstrahler bzw. Erregerelemente in Dipolform und 5 den Dreifachreflektor darstellen. Die Maße A und s (1b) bedeuten die Reflektorapertur und die Strahlerlage von der Mitte gemessen, wobei h die Höhe der Reflektorwand bezeichnet. Der Dreifachreflektor 5 ist in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform aus einer gemeinsamen metallischen Platte ausgeführt. Die Erregerelemente 4 können neben zylindrischen Dipolen beispielsweise auch doppelt konische Dipole sein. Prinzipiell können alle Erregerelemente eingesetzt werden, die ein kreisförmiges Horizontaldiagramm besitzen. Weiterhin sind die drei Sektoren bzw. Elemente der Peilantenne mit den Nummern 1–3 nummeriert entsprechend den Bezeichnungen der Richtdiagramme aus 3a und 3b. 2a und 2b zeigen den Unterschied zwischen dem berechneten Nahfeldverlauf einer optimal dimensionierten Peilantenne 5 (2a) und einer herkömmlich dimensionierten Reflektorantenne 50 (2b). In dieser Darstellung ist nur die Anregung des Elements in Sektor 2 dargestellt. Die anderen beiden Erregerelemente in Sektor 1 und 3 sind in dieser Darstellung als nicht aktiv dargestellt. Gegenüber einer auf Gewinn dimensionierten Reflektorantenne 50, die Beugungseffekte an den Reflektorkanten möglichst unterdrückt – siehe Feldlinienverlauf 7 (2b) –, wird bei der erfindungsgemäßen Peilantenne die Beugung an der Reflektorkante zugelassen – siehe Feldlinienverlauf 6 (2a) – und durch geeignet gewählte Reflektorapertur A (1b) und Strahlerlage s (1b) innerhalb des Reflektors (1b) derart dosiert, dass die angestrebten eindeutigen Horizontaldiagramme entstehen.
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Die Strahlerlage s beeinflusst einerseits den Wirkungsgrad und andererseits die Größe der Nebenzipfel (Balanis). Je größer der Wert s gewählt ist, desto größer ist der Wirkungsgrad, aber auch die Tendenz zur Nebenzipfelbildung. Der Wert s wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Wellenlänge der höchsten empfangenen Frequenz gewählt, dass sich gerade noch keine Nebenzipfel, aber schon ein breites Diagramm ergeben. Der bevorzugte Bereich von s liegt zwischen 0,1 λ und 0,3 λ.
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In 3a ist als Beispiel ein optimales horizontales Diagramm der richtig dimensionierten erfindungsgemäßen Peilantenne angegeben, wobei Verläufe (Richtdiagramme) aller drei Teilsysteme – in 3a und 3b: Element 1, 2, 3 – entsprechend der Einteilung aus 1b in einem Bild dargestellt sind. Die sich überlappenden Richtdiagramme von jeweils zwei Richtantennen schneiden sich in zwei Punkten in dem einseitig offenen Intervall [0°, 360°). Werden die Diagramme auf 0 dB normiert, so wird angestrebt, dass der erste Schnittpunkt bei Werten um –3 dB und der zweite bei Werten kleiner –10 dB liegen soll. Eine vorteilhafte Lage des ersten und des zweiten Schnittpunkts wird erreicht, wenn die Aperturbreite in 3a zwischen 0,25 λ und 0,8 λ liegt. Die Strahlung in die Rückwärtsrichtung wird durch die Höhe der Reflektorwände beeinflusst. Als optimale Höhe ergibt sich h ≥ 2,8 λ. Als Beispiel ist mit Linie 8 (3a) die Spannungszuordnung mit den drei zugehörigen Messwerten bzw. Amplitudenwerten der drei Teilsysteme zum Peilwinkel ca. α = 190° dargestellt. Diese Verlaufart erlaubt eine eindeutige Winkelzuordnung. Ein weiterer Vorteil der dargestellten symmetrischen Richtdiagramme liegt in der mehrfachen Verwendung desselben Richtdiagramms, wodurch sich beim Peilalgorithmus die Anzahl der zum Vergleich gespeicherten Werte verringert.
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Da die drei Richtantennen vorzugsweise mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind, liegen die beiden Schnittpunkte vom Maximum eines Diagramms aus gesehen bei ±60° und ±120°. Da die Diagramme in der Vergleichswerttabelle nur diskrete Werte enthalten, muss der Kurvenverlauf glatt und ohne Nebenmaxima sein.
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In 3b wird dagegen ein horizontales Diagramm bei falscher Dimensionierung dargestellt. Durch die Bildung von Nebenzipfeln ergeben sich bei derart dimensionierter Peilantenne Spannungskombinationen, die eine mehrfache Winkelzuordnung erlauben. Beispielsweise beim Anstrahlen einer derartiger Peilantenne unter dem Winkel α = 190° – Linie 9 in 3b – gehören die gleichen Spannungswerte auch zum Winkel α = 170° – siehe Linie 10 –. Infolge der Mehrdeutigkeit wird eine Peilauswertung nicht entscheiden können, welcher Winkel ausgelesen werden soll.
