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Antennensystem für Doppler-Funknavigationsanlagen Die Erfindung betrifft
ein Antennensystem für Doppler-Funknavigationsanlagen. Die Strahlungsdiagramme solcher
Antennen sind, wie bekannt, sehr stark abhängig von der Montagehöhe über dem Erdboden.
Das kommt daher, daß die zu peilende bzw. die von einem Funkfeuer gesendete und
in einem Aufpunkt zu empfangende Welle aus zwei Wellenfronten besteht, nämlich der
direkten und der vom Erdboden reflektierten. Bei gewissen Erhebungswinkeln können
sich der direkte und der reflektierte Wellenzug sogar auslöschen, es sei denn, die
Antenne ist in sehr geringer Höhe über dem Erdboden montiert.
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Naturgemäß ergibt sich fast immer ein Feldstärkeverlust. Viel schlimmer
aber sind bei Peilern oder Funkfeuern die dadurch hervorgerufenen Fehlmessungen,
die als »Lagefehler« und »Polarisationsfehler« bezeichnet werden. Um aber - sei
es bei einem Peiler oder einem Funkfeuer - eine möglichst große Reichweite zu erlangen,
ist es oft notwendig, die Antennensysteme in beträchtlicher Höhe über dem Erdboden
zu montieren. Dadurch spaltet aber, wie bekannt, infolge der mehrfachen Auslöschung
des direkten und des vom Erdboden reflektierten Wellenzuges das Vertikal-Strahlungsdiagramm
auf, und es ergeben sich mehrere Richtungen, bei denen die Feldstärke nahezu Null
wird.
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Bei der Entscheidung, in welcher Höhe über dem Erdboden ein Peil-
oder Funkfeuerantennensystem montiert werden soll, muß man oft einen Kompromiß zwischen
Reichweite und Genauigkeit schließen.
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Die Erfindung gibt einen Weg an, wie die erwähnten Feldstärkeeinbrüche
im Vertikal-Strahlungsdiagramm von Navigations-Antennensystemen weitgehend beseitigt
werden können, ohne Gegengewichte zu verwenden.
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Die Beseitigung von Feldstärkeeinbrüchen im Vertikalstrahlungsdiagramm
durch zwei übereinan der angeordnete, gleiche Antennensysteme ist aus der deutschen
Patentschrift 869 227 an sich bekannt.
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Antennensystem für Doppler-Funknavigationsanlagen
(Peiler und Funkfeuer), bei dem zur Beseitigung von Feldstärkeeinbrüchen im Vertikalstrahlungsdiagramm
zwei gleiche Kreisantennensysteme in einer Höhe von mehreren Wellenlängen und vertikal
übereinander angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß beträgt der vertikale Abstand der beiden Kreisantennensysteme
mindestens eine halbe Wellenlänge, höchstens eine ganze Wellenlänge, und das obere
Kreisantennensystem wird gegenüber dem unteren um 900 phasenverzögert ge-
speist
(Funkfeuer), bzw. es werden die vom oberen Kreisantennensystem an den Empfängereingang
gelieferten Schwingungen um 900 phasenverzögert (Peiler).
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Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert, von denen
F i g. 1 das Arbeitsprinzip deutlich macht; F i g. 2 zeigt schematisch ein Funkfeuer-Antennensystem,
wie es bei Doppler-Drehfunkfeuern Verwendung findet; F i g. 3 zeigt ein anderes
Drehfunkfeuer-Antennensystem, das in seinem Aufbau den heute beim VOR-Drehfunkfeuer
verwendeten entspricht; Fig. 4 zeigt schematisch ein Peilantennensystem.
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In Fig. 1 ist eine Antenne 1 in einer Höhe H1 über dem Erdboden 6
montiert und mittels einer Hochfrequenzleitung 4 mit einer Signaleinrichtung 5,
einem Empfänger oder Sender verbunden. Eine zweite Antenne 2 ist über der ersten
in einer Höhe H2 über dem Erdboden angebracht und über eine Hochfrequenzleitung
3 mit der Signaleinrichtung verbunden. Die Signaleinrichtung enthält auch eine einfache
Gabelschaltung für die Hochfrequenzleitungen; in manchen Fällen kann auch ein eigenes
Kombinations- oder Aufspaltnetzwerk notwendig sein.
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Die elektrische Länge der Hochfrequenzleitung 3 ist größer als die
der Hochfrequenzleitung 4. Sind die Antennen 1 und 2 Sendeantennen, dann kommt die
Energie der Signaleinrichtung5 an der oberen Antenne 2 gegenüber der Antenne 1 phasenverzögert
an.
Umgekehrt, wenn die Antennen Empfangsantennen sind, kommt die in der Antenne 2 empfangene
Energie phasenverzögert in der Signaleinrichtung5, also im Empfänger, an. Die Differenz
der elektrischen Längen der Hochfrequenzleitungen 3 und 4 und der räumliche Abstand
der Antennen 1 und 2 sind so gewählt, daß sich ingesamt ein vertikales Richtdiagramm
ergibt und daß sich die Strahlungen bei Winkeln unterhalb der Horizontalen auslöschen.
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In der Regel werden die Antennen 1 und 2 von gleicher Konstruktion
sein, und der Abstand in vertikaler Richtung wird eine halbe bis eine Wellenlänge
betragen.
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In F i g. 2 ist eine Antennenanordnung gezeigt, wie sie bei Doppler-Funkfeuern
Verwendung findet.
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Sie besteht aus einer kreisförmigen Anordnung 9 von Einzelantennen
und einer Mittelantenne 7. Der Kreisdurchmesser beträgt etwa 2 t/2 bis 3 Wellenlängen,
der Abstand der Einzelantennen auf der Kreisanordnung etwa ein viertel Wellenlänge.
Mittels einer an sich für solche Zwecke bekannten Schaltanordnung 11 werden die
Einzelantennen nacheinander in zyklischer Folge mit der Energie eines Senders 18
erregt. Dieser Teil der Energie ist mittels eines Einseitenbandmodulators 23 und
eines Niederfrequenzgenerators24, dessen Frequenz bei einem, mit dem eingeführten
VOR-System compatiblen System 9960 Hz beträgt, moduliert, so daß die über einen
Verteiler 21 und die Hochfrequenzleitung 19 zur Schalteinrichtung gelangende Energie
in der Frequenz von der des Generators 18 um jenen bestimmten Betrag (9960 Hz) abweicht.
Ein anderer Teil der Energie des Senders 18 wird mittels eines Amplitudenmodulators
16 und eines weiteren Niederfrequenzgenerators 17, der bei einem dem VOR-System
compatiblen System eine Frequenz von 30 Hz erzeugt, amplitudenmoduliert und über
einen VerteilerlS und eine Hochfrequenzleitung 13 der Mittelantenne 7 zugeführt.
Die Schaltfrequenz der Schaltanordnung 11 ist mit dem Generator 17(30dz) synchronisiert.
Das hier beschriebene System ist ein Doppler-System, das mit dem eingeführten VOR-System,
wie bereits erwähnt, compatibel ist, d.h., die zur Zusammenarbeit mit dem eingeführten
VOR-System gebräuchlichen Empfangseinrichtungen sind ohne Änderung auch für das
Doppler-System brauchbar. Bekanntlich wird zur Azimutbestimmung die Phase der aus
der Phasenmodulation abgeleiteten Niederfrequenzspannung des von den Einzelantennen
9 abgestrahlten, phasen- bzw. frequenzmodulierten Signals mit der Phase der von
der Antenne 7 als Amplitudenmodulation ausgestrahlten Niederfrequenzspannung verglichen.
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Ein weiteres, konstruktionsmäßig mit dem ersten gleiches Antennensystem
10 mit einer Mittelantenne 8 und einer zugehörigen Schaltanordnung 12 ist über dem
zuerst beschriebenen montiert und entsprechend über Hochfrequenzleitungen 20 bzw.
14 mit dem Verteiler21 bzw. 15 verbunden. Die Schaltanordnungen 11 und 12 arbeiten
synchron, so daß jeweils zwei übereinanderliegende Einzelantennen der Antennensysteme
9 und 10 erregt werden. Als Antennen können z. B. horizontalliegende Schleifenantennen
verwendet werden.
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Um eine optimale Verminderung der vom Erdboden reflektierten Komponente
der Gesamtenergie zu erhalten, wird die elektrische Länge einer jeden
Hochfrequenzleitung
zu den Antennen des oberen Antennensystemsdie Schaltanordnung 12 eingeschlossen-
um eine viertel Wellenlänge größer als die der Hochfrequenzleitungen zum unteren
Antennensystem. Dadurch ist die Phase der Hochfrequenzenergie, die vom oberen Antennensystem
abgestrahlt wird, in jeder Schaltphase gegenüber der des unteren um 900 nacheilend.
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Die von einer Schleifen antenne erzeugte Feldstärke ist bekanntlich
unter anderem proportional dem Cosinus des Neigungswinkels, und zwar sowohl für
positive als auch für negative Neigungswinkel.
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Wenn zwei Schleifenantennen im Abstand von einer halben Wellenlänge
übereinander angeordnet sind und die obere phasenverzögert erregt wird, so ist die
gegenüber der Horizontalebene nach unten abgestrahlte Energie bedeutend geringer
als die nach oben abgestrahlte, und es ergibt sich also auch eine beträchtliche
Verminderung derjenigen Komponente, die vom Erdboden reflektiert werden kann.
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Wenn beispielsweise das Antennensystem 9 mit der Mittelantenne 7
in einer Höhe von drei halben Wellenlängen über dem Erdboden montiert ist, so ergeben
sich bei Erhebungswinkeln von etwa 20 und 450 gegenüber der Horizontalen tiefe Feldstärkeneinbrüche
im vertikalen Strahlungsdiagramm. Wenn das Antennensystem 10 mit der Mittelantenne
8 in einer Höhe von zwei Wellenlängen über dem Erdboden montiert ist, liegen die
Feldstärkeneinbrüche bei etwa 15 und 300 Wird nun das obere Antennensystem gegenüber
dem unteren 900 phasenverzögert erregt, so überdecken sich die Strahlungsminima
des einen mit den Strahlungsmaxima des anderen Antennensystems, so daß im Gesamtstrahlungsdiagramm
Feldstärkeneinbrüche nicht mehr vorkommen.
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Durch die Tatsache, daß die Strahlungsdiagramme aller jeweils wirksamen
Antennenpaare weitgehend einander gleichen, werden auch die in der Praxis sehr unangenehmen
Meßfehler beseitigt, die man bei Doppler-Systemen mit einem Kreisantennensystem
und einem großen Gegengewicht beobachtet hat.
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Da die Mittelantenne ebenfalls in beträchtlicher Höhe über dem Erdboden
montiert ist, kann senkrecht darunter auf dem Erdboden die gesamte Sendeeinrichtung
aufgestellt werden.
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In F i g. 3 ist eine Anordnung von solchen Antennensystemen schematisch
gezeichnet, wie sie bei den heutzutage in der Flugfunknavigation eingeführten VOR-Drehfunkfeuern
verwendet werden. Die dabei verwendeten Antennensysteme und die Arbeitsweise des
ganzen Systems sind so bekannt, daß auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet
werden kann.
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Ein erstes Antennensystem 26 ist in einer Höhe H1 über dem Erdboden
(28) montiert, darüber ein weiteres gleiches Antennensystem 27. Ein VOR-Antennensystem
besteht bekanntlich aus einer Richtantenne mit einem kardioidenförmigen Strahlungsdiagramm,
das in Rotation versetzt wird, und einer Rundstrahlantenne. Über ein Hochfrequenzkabel
29 wird unmodulierte Hochfrequenzenergie in einen Verteiler 30 geleitet. Von diesem
aus werden die Richtantennen der Antennensysteme 26 bzw. 27 über Hochfrequenzleitungen
31 bzw. 32 gespeist, wobei die elektrische Länge der Leitung 32 um 900 (oder eine
viertel Wellenlänge) größer ist als die der Leitung 31. Über ein Hochfrequenzkabel
33 wird weiterhin Hochfrequenzenergie in einen weiteren
Verteiler
34 geleitet und von diesem aus über Hochfrequenzleitungen 35 bzw. 36 zu den Rundstrahlantennen
der Antennensysteme 26 bzw. 27. Die elektrische Länge der Hochfrequenzleitung 36
ist gegenüber der der Leitung 35 um eine viertel Wellenlänge, d. h. um 900, größer.
Die über das Hochfrequenzkabel 33 herangeführte Energie ist mit einem frequenzmodulierten
Unterträger von 9960Hz amplitudenmoduliert; der Frequenzhub ist 480 Hz, die Modulationsfrequenz
30 Hz.
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Der Abstand der Antennensysteme 26 und 27 in vertikaler Richtung
variiert zwischen etwa einer halben und einer ganzen Wellenlänge, je nachdem, wie
hoch (in Wellenlängen ausgedrückt) das untere Antennensystem über dem Erdboden montiert
ist.
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Auch bei dieser Anordnung ist der bei kleinen Winkeln unterhalb der
Horizontalen abgestrahlte Energieanteil bedeutend geringer als der bei kleinen Winkeln
oberhalb der Horizontalen abgestrahlte Anteil, und das Vertikal-Strahlungsdiagramm
der gesamten Anordnung ist bei kleinen Erhebungswinkeln frei von Nullstellen. Wenn
auch bei großen Erhebungswinkeln Nullstellen vermieden werden sollen, kann dem oberen
sowie dem unteren Antennensystem je ein Gegengewicht mit einem Durchmesser von etwa
zwei Wellenlängen zugeordnet werden.
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Zwei derart kleine Gegengewichte sind weniger kostspielig als ein
einziges großes Gegengewicht, das oft bei VOR-Drehfunkfeuern mit in großer Höhe
aufgebauten Antennensystemen angewendet worden ist.
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In Fig.4 ist eine nach dem Prinzip der Erfindung ausgestrahlte Doppler-Peilanordnung
gemäß einem älteren Vorschlag schematisch gezeichnet.
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Jede der Einzelantennen 49 eines kreisförmigen Antennensystems 50
mit einer geraden Anzahl von Einzelantennen ist mit einem Statorbelag 51 einer kapazitiven
Schaltanordnung mit dem Rotor 53 und den Rotorbelägen 54 a und 54b verbunden, der
mittels eines Motors 55 angetrieben wird. Die beiden Rotorbeläge 54a und 54b führen
über Leitungen 56 bzw. 57 in eine Gabel 70 bzw. 71. Aus der Gabel 70 führt der der
Gabel gemeinsame Weg direkt zum Eingang eines Empfängers 73, während der der Gabel
71 gemeinsame Weg über einen Frequenzumsetzer 72, der die empfangene Frequenz um
einen bestimmten Betrag, etwa 10 kHz, verschiebt, an den Empfängereingang angeschlossen
ist. Im Empfänger 73 werden die empfangenen Signale demoduliert, und man erhält
eine mit der Schaltfrequenz (30Hz) frequenzmo dulierte Welle, deren Mittenfrequenz
gleich der Differenzfrequenz der beiden Eingangssignale (hier 10 kHz) ist. Die Frequenzmodulation
der 10-kHz-Welle wird durch die zyklische Anschal-
tung der Einzelantennen bewirkt,
wobei die Modulationsfrequenz gleich der Umdrehungsfrequenz der Schaltanordnunng,
hier 30 Hz, ist. Die frequenzmodulierte 10-kHz-Welle wird mittels eines Frequenzdiskriminators
demoduliert, und man erhält eine 30-Hz-Welle, deren Phase im Vergleich zu einer
von der Rotation der Schaltanordnung abgeleiteten 30-Hz-Welle die Richtung der einfallenden
Wellenfront abgibt.
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Über dem ersten Antennensystem 50 ist im Abstand von einer halben
bis einer ganzen Wellenlänge ein zweites, dem ersten völlig gleiches Antennensystem
80 montiert. Für dieses ist auch eine kapazitive Schaltanordnung mit einem Stator,
der mit den Einzelantennen verbundene Beläge 81 trägt, einem Rotor 83 mit Rotorbelägen
84a und 84b, die über Hochfrequenzleitungen 76 bzw. 77 mit der Gabel 70 bzw. 71
und damit auch schließlich mit dem Eingang des Empfängers 73 verbunden sind, vorgesehen.
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Die Rotoren 55 und 83 der beiden kapazitiven Schalteinrichtungen laufen
synchron. Die elektrischen Längen der Hochfrequenzleitungen 76 und 77 sind gegenüber
den der Leitungen 56 und 57 um 900, d. h. um eine viertel Wellenlänge, größer, so
daß die von den Einzelantennen des oberen Antennensystems aufgenommenen Wellen am
Empfängereingang um 900 phasenverzögert ankommen.
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Auch bei einem Peilsystem ermöglichen die Maßnahmen der Erfindung
eine Beseitigung der Einflüsse des Erdbodens auf das Strahlungsdiagramm beim Aufbau
des Antennen systems in genügender Höhe über dem Erdboden.