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Verfahren zur Anschaltung eines Antennensystems an einen Peilempfänger
oder einen Funkfeuersender Die Erfindung betrifft ein Antennensystem für die Richtungsfindung,
das aus einer Anzahl von auf zwei gekreuzten Geraden (Antennenzeilen) angeordneten
Einzelantennen besteht.
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Derartige Antennen systeme in Verbindung mit Systemen zur Richtungsbestimmung
sind sowohl für die sendeseitige (Funkfeuer) als auch für die empfangsseitige (Peiler)
Anwendung bekannt. Bei diesen Systemen wird zur Richtungsbestimmung immer der Doppler-Effekt
benutzt, der dadurch entsteht, daß die einzelnen Antennen mit bestimmter Geschwindigkeit
durch Schaltmittel nacheinander in zyklischer Aufeinanderfolge wirksam gemacht werden.
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Der Doppler-Effekt äußert sich dabei als Erhöhung bzw. Erniedrigung
der Sendefrequenz bzw. in einer Phasenmodulation bzw. in Phasensprüngen zwischen
aufeinanderfolgenden Antennen, bzw. in einer Frequenzmodulation der ausgesendeten
bzw. empfangenen Wellen über eine volle Periode betrachtet, wobei als Periode eine
hin- und hergehende Anschaltung sämtlicher auf einer Geraden angeordneten Antennen
verstanden sein soll.
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Dementsprechend kann auch die Auswertung des Doppler-Effekts in verschiedener
Weise erfolgen.
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Es ist auch bekannt, daß Sende- oder Empfangssysteme hinsichtlich
des Prinzips der Erzeugung oder der Auswertung der durch den Doppler-Effekt entstandenen
Richtungsinformation als äquivalent zu betrachten sind.
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Im Falle eines Funkfeuers werden die Antennen mit Sendeenergie gespeist,
bei einem Peiler werden sie mit einem Empfängereingang verbunden. Die Auswertung
des Doppler-Effekts erfolgt bei einem der bekannten Systeme entweder dadurch, daß
die empfangsseitig durch den Doppler-Effekt entstandene veränderte Frequenz selbst
gemessen oder daß eine Schwebung mit einer festen, beispielsweise vom Funkfeuer
ausgesendeten Frequenz erzeugt wird, deren Frequenz ein Maß für Richtung ergibt.
Insbesondere wird durch die Schwebungsfrequenz Null eine ganz bestimmte Richtung
festgelegt, beispielsweise senkrecht zu einer Antennenzeile (Schweizerisches Patent
268059).
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Bei einem anderen bekannten Peilsystem erfolgt die technische Auswertung
des Doppler-Effekts durch Umformung der Phasenmodulation bzw. der Phasensprünge
von einer Antenne zur nächsten, die der einfallenden Welle infolge der aufeinanderfolgenden
zyklischen Anschaltung aufgedrückt wird, in eine entsprechende Wechselspannung mittels
eines Phasendiskriminators und anschließenden Phasenvergleich dieser Wechselspannung
mit der Anschaltfrequenz (Britisches Patent 635 277).
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Auch bei weiteren bekannten, mit zyklisch geschalteten Großbasis
- Kreisantennensystemen arbeitenden Peilsystemen werden die Phasensprünge von einer
Antenne zur nächsten zur Richtungsbestimmung in der gleichen Weise herangezogen.
(British Communications and Electronics, March 1956, p. 134 ff. »New Communicated
Antenna Direction Finder«.) Bei der vorliegenden Erfindung wird der Frequenzhub
ausgewertet, der durch eine besondere Art der periodischen Anschaltung über die
Antennenzeilen erzeugt wird. Die Art, wie dies erfolgt, hat gegenüber den oben beschriebenen
bekannten Methoden gewisse technische Vorteile, von denen die Möglichkeit der Verwendung
eines einfachen Frequenzdiskriminators gegenüber einem sehr komplizierten und frequenzstabilen
Phasendiskriminator der wichtigste ist, weil dieser noch zusätzlich eine Spannung
mit einer Vergleichsphase benötigt.
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Zur Erläuterung des Erfindungsprinzips sei zunächst eine einzige,
mit Antennen bestückte Zeile betrachtet, deren Einzel antennen mit einem gegenseitigen
Abstand von höchstens einem Viertel der Betriebswellenlänge aufeinanderfolgend,
periodisch mit dem Eingang eines Peilempfängers verbunden werden.
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Durch entsprechend schnelle Anschaltung der Antennen in zyklischer
Folge, auch Abtastung genannt, wird ein so großer Frequenzhub erzeugt, daß die Amplitude
der aus diesem mittels eines Frequenzdiskriminators abgeleiteten Niederfrequenzspannung
groß genug ist, um durch Phasenvergleich mit der Frequenz der Abtastspannung zur
Richtungslbestimmung ausgewertet zu werden.
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Der Frequenzhub ändert sich - eine konstante Abtastfrequenz vorausgesetzt
- mit dem Sinus des Einfallswinkels der Wellenfront. Es ergibt sich so, in Polarkoordinaten
dargestellt, ein Frequenzhubdiagramm in Form eines Doppelkreises, das der in der
Peiltechnik als Amplitudendiagramm bekannten Form entspricht, d. h., in der Richtung
der Mittelsenkrechten auf der Antennenzeile ist der Frequenzhub gleich Null, in
allen anderen Richtungen hat er einen ganz bestimmten Wert. Da die Form des Diagramms
nicht ursächlich von der Länge der Antennenzeile abhängig ist, kann die Basis über
mehrere Wellenlängen erstreckt werden, wodurch alle bekannten Vorteile einer Großbasisanlage
erreicht werden, ohne daß Mehrdeutigkeiten des Peilergebnisses auftreten.
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Bei der hier besprochenen, bekannten Abtastart sind die erzeugten
Frequenzhübe symmetrisch zur Mittenfrequenz. Erfindungsgemäß werden nun durch entsprechende
Form der Abtastfunktion unsymmetrische Frequenzhübe erzeugt, durch deren Auswertung
eine eindeutige Richtungsbestimmung ohne Zuhilfenahme einer Bezugsfrequenz ermöglicht
wird.
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Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Anschaltung eines aus
einer Anzahl von auf zwei gekreuzten Geraden (Antennenzeilen) im Abstande von ungefähr
einem Viertel der Betriebswellenlänge angeordneten Einzel antennen bestehenden Antennensystems
an einen Peilempfänger oder an einen geographisch festgelegten Funkfeuersender mit
in festgelegter Himmelsrichtung angeordneten Antennensystem in solchen Funkuavigationsanlagen,
bei denen durch periodisches, oszillierendes Wirksammachen der Einzelantennen eine
Frequenzmodulation der gesendeten oder empfangenen Hochfrequenzenergie bewirkt und
zur Richtungsbestimmung ausgewertet wird. Zur Vermeidung der senderseitigen Übertragung
bzw. der empfangsseitigen Heranziehung einer phasenstarren Bezugsfrequenz zur Richtungsbestimmung
erfolgt erfindungsgemäß das Abtasten der Antennen gemäß einer einen unsymmetrischen
Frequenzhub erzeugenden Zeitfunktion.
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Die Erfindung wird an Hand von Figuren noch näher erläutert, von
denen Fig. 1 eine Antennenzeile mit der zugehörigen Schalteinrichtung und einem
Empfänger bzw. einem Sender darstellt.
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In Fig. 2 a bis 4 a sind verschiedene, einen unsymmetrischen Frequenzhub
erzeugende Zeitfunktionen dargestellt. Der durch diese Zeitfunktionen erzeugte Phasenhub
ist von der gleichen Form.
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In Fig. 2 b bis 4b ist jeweils die entsprechende, aus dem Phasenhub
durch Differentiation erhaltene Form des Frequenzhubes dargestellt.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens sei zunächst von der Erzeugung
eines symmetrischen Frequenzhubes ausgegangen.
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Die einzelnen, längs einer Geraden im gegenseitigen Abstande von
höchstens einem Viertel der Betriebswellenlänge angeordneten Antennen 1 bis 8 gemäß
Fig, 1 werden mit Hilfe einer Schalteinrichtung9, beispielsweise mit einer Schaltfrequenz
von 5 kHz, z. B. gemäß einer Sinusfunktion, nacheinander mit einer Empfangseinrichtung
10 verbunden. Eine unter einem Winkel v. gegen die Normale N auf der Antennenzeile
auftreffende Wellenfront W bewirkt einen periodischen, symmetrischen Frequenzhub,
dessen Größe und Vorzeichen proportional dem Sinus des Einfallswinkels ce ist. In
Richtung der Mittelsenkrech ten ist also der Frequenzhub Null. Bei drehbarer Anordnung
einer Antennenzeile kann also der Frequenz hub Null eingestellt und der Peilwinkel
auf einer
Skala abgelesen werden. Beliebige Richtungen können bei zwei gekreuzten,
in bezug auf die Himmelsrichtungen festen derartigen Antennensystemen, wie bekannt,
besser und schneller ausgewertet werden. Wenn zwei derartige Antennenzeilen mit
den zugehörigen Schalteinrichtungen senkrecht zueinander aufgebaut werden, liefert
diese zweite Zeile einen dem Cosinus des Einfallwinkels proportionalen Frequenzhub.
Der Frequenzhub der einen und der der anderen Antennenzeile wird in bekannter Weise
demoduliert, wodurch je eine Sinusspannung entsteht, deren Phasen das Richtungskriterium
darstellen.
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Bei den bisher bekannten Auswertungsverfahren bei Peilern hat man
nun diese Richtspannungen phasenmäßig mit der die Abtastung bewirkenden Spannung
mittels Phasenmodulatoren verglichen und in bekannter Weise zwei dem Sinus und Cosinus
des Einfallswinkels proportionale Gleichspannungen abgeleitet, die auf einem Anzeigegerät
in ebenso bekannter Weise den Peilwinkel ergeben. Da bei Peilern die Bezugsspannung
an Ort und Stelle aus der Abtastspannung zur Verfügung steht, ist diese Methode
zwar technisch möglich, durch Anwendung des Erfindungsvorschlags wird ein Peiler
jedoch weniger aufwendig, weil der Bezugsspannungsgenerator überflüssig ist.
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In den Fig. 2 a bis 4 a sind beispielsweise Zeitfunktionen dargestellt,
die bei der Trägerfrequenz einen unsymmetrischen Frequenzhub erzeugen, wenn die
Antennenzeilen gemäß diesen Zeitfunktionen abgetastet werden. In Fig. 2 a ist die
Zeitfunktion sägezahnförmig, d. h., die Abtastung erfolgt hin- und hergehend mit
einer linearen Zeitfunktion, jedoch in beiden Richtungen mit verschiedener Geschwindigkeit.
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Dadurch entsteht eine Phasenmodulation der Hochfrequenz ebenfalls
gemäß Fig. 2 a. Die entsprechende Frequenzmodulation oder die durch Frequenzmodulation
erhaltene Niederfrequenzspannung hat eine Form gemäß Fig.2b.
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In Fig. 3 a ist eine weitere Zeitfunktion der Abtastung dargestellt,
die einen unsymmetrischen Frequenzhub erzeugt. Sie ist entstanden aus der Überlagerung
einer sinusförmigen Grundfrequenz und ihrer 3. Harmonischen. Die Fig. 3 a stellt
wieder die Form des erzeugten Phasenhubs dar und Fig. 3 b die Form des Frequenzhubs
bzw. die daraus abgeleitete Form der Niederfrequenzspannung.
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Die in Fig. 4 a gezeichnete Zeitfunktion bzw. der damit erzeugte
Phasenhub hat die Form eines ungleichschenkligen Trapezes. Die aus dieser Kurvenform
durch Differentiation hervorgehende Kurvenform gemäß Fig. 4 b bezeichnet die Form
des Frequenzhubs bzw. der daraus durch Frequenzmodulation entstandenen Form der
Niederfrequenzspannung.
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Während sich bei der Auswertung von symmetrischen Frequenzhüben bei
Einfall der Wellenfront von der einen oder anderen Seite der Antennenzeilen jedesmal
ein Frequenzhub ergibt, der nach der Demodulation nur eine 1800-Phasenverschiebung
der Niederfrequenzspannung -erkennen läßt, unterscheiden sich die aus einem zur
Trägerfrequenz unsymmetrischen Frequenzhub abgeleiteten Niederfrequenzspannungen,
jeweils von der einen oder anderen Seite betrachtet, durch die Form der Kurven.
Man ersieht, daß derartige Formen von Spannungskurven auch ohne Heranziehung einer
Bezugsfrequenz eindeutige Richtungsbestimmungen ermöglichen.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei der Anwendung des Erfindungsgedankens
auf Funkfeuer, weil die Übertragung einer sonst empfangsseitig zur Richtungsbestimmung
unbedingt
notwendigen phasenstarren Bezugsfrequenz überflüssig wird. Bei einem derartigen
Funkfeuer werden zwei Antennenzeilen von der in Fig. 1 gezeigten Anordnung senkrecht
zueinander, vorzugsweise gekreuzt, aufgebaut. Die zweite Antennenzeile möge ebenfalls
acht Antennen mit einem gegenseitigen Abstand von höchstens einem Viertel der Betriebswellenlänge
umfassen. Die beiden Antennenzeilen werden, beispielsweise über getrennte Schalteinrichtungen,
aus dem Geräteteil 10 der Fig. 1, der nun einen Sender darstellt, abwechselnd, und
die Einzelantennen jeder Zeile nacheinander mit Hochfrequenzenergie gespeist, und
zwar in der Weise, daß jeder Schaltzyklus gemäß den in Fig. 2 a bis 4b als Beispiel
gegebenen, einen unsymmetrischen Frequenzhub erzeugenden Zeitfunktionen abläuft.
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Um empfangsseitig eine Zuordnung des Frequenzhubes zu jeder der beiden
Antennenzeilen in einfacher Weise herbeizuführen, werden diese zweckmäßigerweise
senderseitig mit verschiedenen Schaltfrequenzen betrieben. In allen Richtungen,
in denen die Ausstrahlung eines derartigen Funkfeuers empfangen wird, außer in den
jeweils zu einer Zeile senkrechten Richtungen, wo der Hub in jedem Falle gleich
Null ist, ergibt sich ein richtungsabhängiger Frequenzhub ganz bestimmter Größe
und mit ganz bestimmten Vorzeichen. Das Empfangsgerät für ein derartiges Funkfeuer
ist von einfachster Bauart, es besteht aus einer gewöhnlichen Empfangsantenne und
einem frequenzdemodulierenden Empfänger mit nachgeschaltetem Sichtauswertegerät.
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Der Aufbau der Antennenzeilen des Funkfeuers in bezug auf die Himmelsrichtungen
ist durch Organisation festgelegt und jedem Benutzer bekannt. Ebenso festgelegt
und bekannt sind jeweils die Richtungen, in denen die beiden Antennenzeilen z. B.
mit kleiner und mit großer Geschwindigkeit geschaltet werden, sowie auch die Zuordnung
der Schaltfrequenzen zu
den Zeilen, und damit die Größe des zu erwartenden Frequenzhubs
und dessen Richtung, wodurch sich jeweils die Form und Polarität der daraus abgeleiteten
Niederfrequenzspannung ergibt.
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PATENTANSPRUCIIE: 1. Verfahren zur Anschaltung eines aus einer Anzahl
von auf zwei gekreuzten Geraden (Antennenzeilen) im Abstand von ungefähr einem Viertel
der Betriebswellenlänge angeordneten Einzelantennen bestehenden Antennensystems
au einen Peilempfänger oder an einen geographisch festgelegten Funkfeuersender mit
in festgelegter Himmelsrichtung angeordnetem Antennensystein in solchen Funknavigationsanlagen,
bei denen durch periodisches, oszillierendes Wirksammachen der Einzelantennen eine
Frequenzmodulation der gesendeten oder empfangenen Hochfrequenzenergie bewirkt und
zur Richtungsbestimmung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung
der senderseitigen Übertragung bzw. der empfangsseitigen Heranziehung einer phasenstarren
Bezugsfrequenz zur Richtungsbestimmung das Anschalten der Antennen gemäß einer einen
unsymmetrischen Frequenzhub erzeugenden Zeitfunktion erfolgt.