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Radarverfahren für einen Abwehrflugkörper Die Erfindung behandelt
ein Radarverfahren für Abwehrflugkörper; es arbeitet mit frequenzmodulierten elektromagnetischen
Wellen und dient der Bereitstellung einer Entfernungsangabe.
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Bei bekannten Radarsystemen zur Zielerfassung wird die Impulstechnik
benutzt; um aber kurze Entfernungen messen zu können, sind sehr schmale Impulse
erforderlich. Außerdem sind diese bekannten Radargeräte gewichtsmäßig zu schwer
und umfangreich, so Idaß Ider Einbau in Abwehrkörper schlechthin unmöglich ist.
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Zur Steuerung eines Abwehrflugkörpers sind auch Impuls-Radargeräte
am Boden, entweder einzeln oder, zum Zwecke der Triangulation, mehrere zu einem
Meßsystem zusammengefaßt, verwendet worden. Diese Methode erfordert jedoch einen
erheblichen Personalaufwand und den Einsatz von Rechengeräten.
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Für die hier vorliegende Aufgabe eignen sich von Höhenmessern her
bekannte Radarsysteme, die mit frequenzmodulierten, elektromagnetischen, kontinuierlichen
Wellen (abgekürzt FM-CW-Radarsysteme) arbeiten. Diese zeichnen sich im Vergleich
zu einer Impulsradaranlage durch geringes Gewicht und kleinen Raumbedarf aus. Zur
Höhen- bzw. Entfernungsmessung werden frequenzmodulierte Hochfrequenzwellen zur
Erdoberfläche hin ausgesendet, und die wiederempfangenen Wellen werden in einer
Empfangseinrichtüng mit vom Sender direkt abgeleiteten gemischt, wobei die durch
den Mischvorgang unter anderem entstehende Differenzfrequenz ein Maß für die Entfernung
ist und auch als solche zur Höhenanzeige ausgewertet wird.
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Entsprechend den Erfordernissen für Höhenmesser, auf Grund der Auswertung
der Differenzfrequenz fortlaufend eine Höhenanzeige zu liefern, sind die Senderparameter,
z. B. Modulationsfrequenz und Frequenzhub, konstant zu halten und der Zeitverlauf
der Modulationsspannung entsprechend, tunlichst linear, zu wählen.
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Auch ist in Ider Empfangseinrichtung dafür zu sorgen, daß Störungen,
insbesondere bei niedrigen Flughöhen bzw. kleinen Entfernungen, durch Kompensieren
auf die Anzeige unwirksam gemacht, zumindest aber gemeldet werden.
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Wenn man bei derartigen Radarsystemen das am Ausgang der Mischeinrichtung
auftretende Frequenzgemisch einer Spektrumanalyse unterzieht, so ergibt sich, daß
die durch die Frequenzmodulation des Senders hervorgerufenen Seitenbandfrequenzen
eine entfernungsabhängige Amplitude besitzen. Man ersieht, daß sich z. B. aus der
Amplitudengleichheit von
zwei beliebigen, in der Ordnungszahl aufeinanderfolgenden
Seitenbandfrequenzen eine Entfernungsangabe zu einer bestimmten Zeit in Stufen ermitteln
läßt. Um den Erfassungsbereich des Radargerätes möglichst groß zu machen, ist es
nur notwendig, möglichst viele Seitenbandfrequenzen zu erzeugen, d. h. die Frequenzmodulation
mit einem entsprechend großen Modulationsindex vorzunehmen. Die Auswertung der Amplituden
der Seitenbandfrequenzen bedingt auch, daß die Faktoren, die bei Höhenmessern umfangreiche
Oberwachungsmaßnahmen notwendig machen, hier nicht in Erscheinung treten.
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Radarverfahren für einen
Abwehrflugkörper zur Ermittlung des Eintrittes eines beweglichen Zieles in den Erfassungsbereich
des Abwehrfiugkörpers und zur Bereitstellung von Entfernungsmarken im Nahbereich
zwischen Abwehrfiugkörper und Ziel, bei dem der Radarsender kontinuierliche, sinusförmige
frequenzmodulierte Hochfrequenzwellen aussendet und die vom Ziel reflektierte Welle
mit einer vom Sender direkt abgeleiteten Welle in einer Empfangseinrichtung gemischt
wird und bei dem aus dem Frequenzgemisch elektrische Analogwerte für die Entfernung
Abwehrflugkörper - Ziel abgeleitet und mittels eines zusätzlichen Senders im Abwehrflugkörper
zu einer Überwachungsstation übertragen werden.
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Ertindungsgemäß wird der Radarsender erstens unter Einhaltung eines
so großen Modulationsindex frequenzmoduliert, daß eine große Anzahl von Modulationsseitenbandfrequenzen
entsteht. Weiterhin
werden aus der Amplitudengleichheit der Seitenbandkomponenten
jeweils eines von mehreren Paaren von in der Ordnungszahl aufeinanderfolgenden Modulationsseitenbändern
des Frequenzgemisches als Entfernungsmarken dienende Signale in leder Weise abgeleitet,
daß die einzelnen Seitenbandkomponenten des Frequenzgemisches nach einer Verstärkung
mittels einer Anzahl von Filtern getrennt und dann gleichgerichtet werden. Die gleichgerichteten
Signale aus zwei den Seitenbandfrequenzen aufeinanderfolgender Ordnungszahl entsprechenden
Filtern werden schließlich einem Amplitudenkomparator eingegeben, der zu Zeitpunkten
von Amplitudengleichheit elektrische Impulse bereitstellt, mit denen ider zusätzliche
Sender im Abwehrflugkörper moduliert wird.
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Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert, von denen
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; Fig. 2 a
bis 2d erläutern den Amplitudenvergleich einer Trägerkomponente mit dem ersten Seitenband
bzw. des ersten Seitenbandes mit dem zweiten Seitenband bzw. des fünften Seitenbandes
mit dem sechsten Seitenband bzw. des neunten Seitenbandes mit dem zehnten Seitenband;
das Diagramm- der Fig.3 stellt die Zeitpunkte der Zeitgleichheitssignale für jeden
der Kanäle dar, wie sie vom Anzeigegerät aufgezeichnet werden; in F i g. 4 ist schematisch
eine besondere Form einer Spannungsvergleichsschaltung gezeichnet, die in dem System
der F i g. 1 verwendet werden kann; in Fig.5 ist der Vergleich zweier aneinander
anschließender Seitenbänder zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß
F i g. 4 gezeigt.
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Die in F i g. 1 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete, gestrichelt
umrandete Apparatur ist in der Rakete eingebaut. Der gestrichelt umrandete und mit
11 bezeichnete Aufbau befindet sich auf einer der Lage nach festgelegten Bodenstation.
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Ein Sender 12 wird mittels eines Modulators 21 mit einer klirrfaktorarmen
Sinusspannung frequenzmoduliert.
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Die Modulationsfrequenz ist im Vergleich zur Trägerfrequenz niedrig,
moduliert jedoch den Träger mit einem solchen Hub, daß der daraus resultierende
Modulationsindex ß so groß ist, daß eine beträchtliche Anzahl von Seitenbändern
in dem frequenzmodulierten Signal enthalten ist. Das System arbeitet im allgemeinen
im Mikrowellenbereich, und der frequenzmodulierte Sender 12 ist mit einem Klystron
bestückt. Eine geeignete Frequenz ist ungefähr 9 GHz, und die Modulationsfrequenz
beträgt 200kHz. Die Ausgangsspannung des frequenzmodulierten Senders 12 wird mittels
einer Radarantenne 13 ausgestrahlt, von einem Flugkörper reflektiert und mittels
einer Empfangsantenne 14 wieder empfangen. Ein Teil der ausgesendeten Energie wird
einer Mischeinrichtung 15 zugeführt, desgleichen das von der Antennel4 aufgenommene,
reflektierte Signal. Die Mischeinrichtung 15 ist von bekannter Art, z. B. ein magisches
T.
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Infolge des Mischvorganges in der Mischeinrichtung 15 ist das Ausgangssignal
ein Gemisch der Trägerfrequenz und Harmonischen der Modulationsfrequenz. Da die
Mischeinrichtung 15 als erster Gleichrichter für die Trägerfrequenz wirkt, hat die
Trägerkomponente in dem Ausgangsgemisch nur einen Gleichstromanteil, der die Dopplerfrequenz
enthält. Dieses Ausgangssignal wird mittels eines be-
kannen Videoverstärkers 16
verstärkt, wobei die Seitenbänder entsprechend mittels Bandpaßfilter 17 ausgesiebt
werden. Die einzelnen, mittels der Filter 17 ausgesiebten Seitenbandfrequenzen werden
dann mit Hilfe von Gleichrichtern 18 gleichgerichtet, und die jeweils aneinander
anschließenden Seitenbänder werden Gleichheitskomparatoren 19 zugeführt. Die Komparatoren
19 bestimmen den Augenblick der Gleichheittder Amplituden zwischen angrenzenden
Seitenbändern. Die Gleichheitssignale aus den Komparatoren 19 werden einem Fernmeßsender20
zugeleitet. Man ersieht, daß beim Vorhandensein von n Seitenbändern (0 bis n) eine
Anzahl von n Filtern 17 vorgesehen sein muß, ferner n - 1 Komparatoren 19.
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Der Fernmeßsender 20 muß ebenso n - 1 Kanäle haben. Der Fernmeßsender
20 speist eine Antenne 22, die die Signale aussendet. Sie werden von einer Empfangsantenne
23 einer Fernmeßempfangseinrichtung 24 in der Bodenstation 11 empfangen. Die Empfangseinrichtung
24 speist mit ihren Ausgangssignalen eine Anzeige- oder Speichereinrichtung 25.
Wie weiter unten noch klarer zum Ausdruck kommen wird, erhält man durch die Speicherung
bzw. Anzeige der Amplitudengleichheitssignale fdie gewünschte Entfernungsinformation,
insbesondere den Verfehlungsabstand zwischen Rakete und Ziel.
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Durch den Mischvorgang (in der Mischeinrichtung 15) eines Teiles
der frequenzmodulierten Hochfrequenzenergie und dem zeitlich verzögerten reflektierten
Signal entsteht am Ausgang der Mischeinrichtung 15 eine Spannung, die mathematisch
durch den Ausdruck
gegeben ist. Dabei ist v das gleichgerichtete Signal.
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In b ist enthalten die Amplitude Ider ausgesendeten Hochfrequenzenergie
und der Antennengewinn sowie auch die Summe aller Verluste und Gewinne in dem ganzen
System, z. B. also Dämpfung, Reflexionsfaktor des Zieles, Raumausbreitungsverluste
u. a. m.
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Es bedeutet weiter: m=2Bsin MD c D = Entfernung, c = Ausbreitungsgeschwindigkeit,
,zz = 2auf, wobei f die Modulationsfrequenz darstellt, t = bedeutet die Zeit, ß
= ist der Modulationsindex, und n = ist die Ordungszahl der Seitenbänder.
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Die Entwicklung des obigen Ausdruckes und die Analyse der Frequenzkomponenten
des resultierenden Ausgangssignales der Mischeinrichtung 15 mit Hilfe der Bessel-FunktionenJ
ethellt, daß jedes Signal einen von m abhängigen Entfernungswert beinhaltet, und
daß dieses Charakteristikum zyklisch für jeden Wert von n verschieden ist. Wenn
n (Ordnungszahl der Seitenbänder) von Null (Trägerfrequenzkomponente) angefangen
größer wird, so wird auch die Entfernung, bei welcher das erste Signalmaximum eintritt,
auch größer werden. Das wird auch aus der F i g. 2 a klar, in der die Trägerfrequenzkomponente
und das erste Seitenband aufgezeichnet sind. Man ersieht, daß die Trägerfrequenzkomponente
dargestellt
wird durch die Bessel-Funktion nullter Ordnung des Augumentes
m, und daß das erste Seitenband in ähnlicher Weise durch die Bessel-Funktion erster
Ordnung des Argumentes m Idargestellt wird. Man erkennt fernerhin, daß durch die
Mischeinrichtung 15 eine Gleichrichterfunktion ausgeübt wird, wodurch die negativen
Halbwellen der Trägerkomponente, die durch die gestrichelten Linien 26 angezeigt
werden, umgedreht werden, so daß die gleichgerichtete Trägerfrequenzkomponente am
Ausgang der Mischeinrichtung 15 einen Kurvenzug aufweist, wie er durch die ausgezogenen
Linien in F i g. 2 a dargestellt wird.
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Die anderen Seitenbänder werden in gleicher Weise gleichgerichtet,
sdie Form der Spannung des ersten Seitenbandes ist in strichpunktierten Linien in
F i g. 2 a gezeichnet.
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Die Betrachtung der Kurve der F i g. 2 a, wo die niedrigsten zwei
einander benachbarten Seitenbänder, z. B. die Trägerkomponente und das erste Seitenband,
gezeichnet sind, zeigt die Amplitudengleichheit an Punkten 27a (Amplitude immer
größer als Null).
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Man erkennt auch, daß die Zeiten, bei denen die Amplituden einander
gleich sind (außer Null), eine Quelle für eine Entfernungsangabe sein können. Die
Entfernungsinformation kann mittels der Komparatoren 19 gewonnen werden, indem man
die Zeitpunkte der Amplitudengleichheit festlegt bzw. aus dieser Zeitangabe Ausgangsspannungen
erzeugt und diese an die Auswerteeinrichtung24, 25 überträgt.
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Diese stellt dann von den Signalen von jedem einzelnen Komparator
19 ein getrenntes Signal bereit, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
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Die Filter 17a bzw. 17 b sieben die Trägerkomponente bzw. das erste
Seitenband aus. Sie werden im Komparator 19 a amplitudenmäßig verglichen, wodurch
die Zeitpunkte der Amplitudengleichheit festgestellt werden, wie dies in F i g.
2 a erläutert worden ist. In gleicher Weise werden die Ausgangsspannungen vom ersten
Seitenbandfilter 17b und vom zweiten Seitenbandfilter 17c dem Komparator 19 b zugeführt,
der das erste und zweite Seitenband amplitudenmäßig vergleicht, die Ausgangsspannungen
des zweiten und dritten Seitenbandfilters 17 c bzw. 17 d werden dem Komparatorl9c
zugeführt und amplitudenmäßig verglichen usf.
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Es sollen nun doch kurz jdie Fig. 2b bis 2d betrachtet werden, in
denen der Vergleich der ersten und zweiten, der fünften und sechsten und der neunten
und zehnten Seitenbänder beispielsweise dargestellt ist. Aus den Zeichnungen ist
zu erkennen, daß das erste Maximum jedes weiteren Seitenbandes in fortlaufend größerer
Entfernung vom Koordinatenanfangspunkt auftritt, d. h. bei einer immer größer werdenden
Entfernung. Man ersieht auch aus F i g. 2 b, daß der Zeitpunkt der Amplitudengleichheit
des ersten und zweiten Seitenbandes bei Punkten 27b eintritt, daß das fünfte und
sechste Seitenband (F i g. 2 c) bei 27 c amplitudengleich sind, und daß das neunte
und zehnte Seitenband (F i g. 2 d) bei Punkten 27d gleiche Amplitude haben.
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Es sei nun bei Betrachtung der F i g. 3 angenommen, daß ein Ziel
in den Erfassungsbereich des Systems gemäß F i g. 1 eintritt und daß der Refiexionsfaktor
des Zieles so groß ist, daß das reflektierte Signal einen Schwellwert (dieser wird
weiter unten in Verbindung mit F i g. 4 näher erläutert werden) bei etwa 43 m überschreitet,
und daß die Rakete, in der das System gemäß Fig. 1 eingebaut ist, sich
dem Ziel auf
eine Entfernung von etwa 9 m genähert hat und daß bei dieser Entfernung die Rakete
explodiert. F i g. 3 zeigt einen Teil eines Registrierstreifens 28, der im Anzeigegerät
25 verwendet wird. Das Registrierpapier bewegt sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit
in Richtung des Pfeiles, und das Anzeigegerät 25 schreibt die Zeitpunkte 27 der
Amplitudengleichheit eines jeden Kanals des Fernmeßsenders 20 und des Empfängers
24 auf. Es ist hier auch vorausgesetzt, daß für die Seitenbänder nullter bis zehnter
Ordnung Filter vorgesehen sind, n ist in diesem Falle also gleich 11, es sind demnach
zehn Komparatoren 19 und ebenso zehn Kanäle in der Fernmeßapparatur 2X, 24 vorhanden.
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Man ersieht weiterhin, daß bei der Bewegung des Registrierpapiers
in Richtung des Pfeiles (F i g. 3) die ersten Marken auf dem Papier auf der rechten
Seite erscheinen, wenn das Ziel in den Erfassungsbereich eintritt, und daß die letzten
Marken auf der linken Seite der F i g. 3 entstehen, wenn das Ziel schließlich den
Erfassungsbereich verläßt. Wenn also das Ziel in den Erfassungsbereich eintritt,
werden die Zeitpunkte der Amplitudengleichheit von jedem Komparator auch in dem
entsprechenden Kanal registriert werden. Mit Hinblick auf die F i g. 2d kann man
auch erkennen, daß, wenn erst die Rakete sehr nahe an das Ziel gelangt ist, die
Kanäle 9 und 10 keine Amplitudengleichheitssignale mehr enthalten können, weil im
neunten und zehnten Seitenband erst ab ungefähr 36m Amplitudengleichheiten vorkommen.
So hören also in den Kanälen 9 und 10 die Amplitudengleichheitssignale auf, wenn
das Ziel eine Entfernung unter 36 m erreicht hat.
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Etwas Ähnliches geschieht bei den Kanälen 8-9, 7-8, 6-7 usw., und
es werden aus diesen Kanälen auch keine Signale mehr kommen, wenn das Ziel die entsprechende
Entfernungsgrenze unterschreitet.
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Wenn nun die Rakete die größte Annäherung an das Ziel erreicht hat
(unter der Voraussetzung, daß kein Zusammenstoß erfolgte), entfernt sich die Rakete
wieder vom Ziel, und es werden wieder in den einzelnen Kanälen, beginnend mit Kanal
0-1 bis zu den Kanälen 9-10, Signale entstehen, wie dies links in der F ig. 3 gezeichnet
ist.
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Der Spiegelpunkt, wie er in F i g. 3 durch die gestrichelte Linie
30 angedeutet ist, liegt also in der Mitte zwischen den am nächsten auseinanderliegenden
Zeitpunkten, die durch die. Amplitudengleichheit gegeben sind. Die Fehlentfernung
(31, Fig. 3) entspricht also Idie Hälfte der Entfernung zwischen den am nächsten
aneinandergelegenen Zeitpunkten, die durch die Amplitudengleichheit festgelegt sind.
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In F i g. 4 und 5 wird die Arbeitsweise der Komparatoren 19, ,die
den Zeitpunkt der Amplitudengleichheit festlegen, noch erklärt.
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Der Komparator enthält eine Hochvakuumröhre 33 und eine Gasentladungsröhre
34. Das Gitter 35 von Röhre 33 ist mit einer Eingangsklemme 36 verbunden, die wiederum
zum Gleichrichter 18 eines Seitenbandkanals, z. B. des ersten, führt bzw. zum Filter
17 b. Bei der Erklärung der Arbeitsweise der Komparatoren soll der Kanal mit A bezeichnet
werden. Die Kathode 37 der Röhre 33 ist über einen Widerstand 38 mit Erde verbunden,
während die Anode 39 mit dem positiven Pol 40 einer Spannungsquelle verbunden ist.
Eine feste Vorspannung für die Röhre 33, die einen bestimmten Schwellwert festlegt,
wie er durch die gestrichelte Linie 42 in F i g. 5 angedeutet
ist,
wird mittels eines Widerstandes43, der zwischen dem positiven Anodenpotential 40
und der Kathode 37 gelegt ist, hergestellt.
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Man ersieht, daß die Widerstände 43 und 38 einen zwischen dem positiven
Potential und Erde liegenden Spannungsteiler darstellen, wobei die Kathode 37 an
den Mittelpunkt dieser Widerstände gelegt ist. Das Gitter 44 der Gasentladungsröhre34
ist zusammen mit ihrer Kathode 45 mit der Kathode 37 der Röhre 33 verbunden. Das
Steuergitter 46 führt zu einer weiteren Eingangsklemme 47, die ihrerseits mit dem
Gleichrichter 18 des anschließenden Seitenbandkanals verbunden ist, beispielsweise
mit dem durch das Filterl7c ausgefilterten Seitenband. Dieser Kanal soll als Kanal
B bezeichnet werden. Die Anode 48 der Gasentladungsröhre 34 ist mit dem positiven
Pol 40 der Anodenspannungquelle über einen Anodenwiderstand 49 verbunden. Die Anode
48 ist über einen Koppelkondensator 52 an eine Ausgangsklemme 50 gelegt, die ihrerseits
mit dem Fernmeßsender 20 verbunden werden muß. Von der Ausgangsklemme 50 liegt gegen
Erde ein Widerstand 53.
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Die Werte der Widerstände 43 und 38 sind so gewählt, daß die Röhre
33 normalerweise gesperrt ist.
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Wenn dem Gitter 35 eine Spannung zugeführt wird, die größer ist als
Ider Spannungsabfall am Widerstand 38, wird die Röhre 33 leitend.
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Wenn sich die Rakete nun dem Ziel in Richtung des Pfeiles 54 in F
i g. 5 nähert, ist das Seitenbandsignal A bei 55 mit seiner größten Amplitude noch
unter dem durch die Widerstände 43 und 38 festgelegten Schwellwert, so daß die Röhre
33 noch nicht leiten kann. Die durch die Widerstände 43 und 38 festgelegte Vorspannung
liegt ebenfalls an der Gasentladungsröhre 34, so daß ,diese auch gesperrt ist.
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Wenn aber das Seitenband aus Kanal A den nächsten Maximalwert bei
56 (F i g. 5) erreicht, wird Röhre 33 leitend, und es fließt ein starker Anodenstrom,
der einen größeren Spannungsabfall am Widerstand 38 verursacht, wodurch wiederum
die Kathode 45 und das Gitter 44 der Gasentladungsröhre 34 eine andere Vorspannung
erhalten. Wenn die Amplitude des Seitenbandes B am Gitter 46 der Gasentladungsröhre
34 ansteigt, zündet diese bei dem Punkt 27, bei dem die Amplituden der Seitenbänder
A und B gleich sind.
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Durch die Zündung der Gasentladungsröhre 34 wird am Widerstand 53
bzw. an der Ausgangsklemme 50 ein Impuls erzeugt, der den Zeitpunkt der Amplitudengleichheit
darstellt. Dieser wird mittels des Fernmeßsenders 20 zur Überwachungsstation 11
übertragen. Sofort nachdem die Gasentladungsröhre 34 gezündet hat, nimmt die Amplitude
des Seitenbandsignales A so weit ab, daß die Röhre 33 wieder gesperrt wird und der
Schwellwert bzw. die Vorspan-
nung am Gitter 44 wiederhergestellt wird, so daß die
Gasentladungsröhre 34 auch wieder gesperrt ist. Sie zündet aber immer wieder dann,
wenn die Amplituden der Seitenbänder A und B gleich sind, d. h. wenn die Rakete
sich dem Ziel nähert oder sich von ihm entfernt. Dieser Zustand bleibt so lange
bestehen, bis die Amplituden des Seitenbandes A den Schwellwert nicht mehr überschreiten.
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Der Amplitudenkomparator gemäß F i g. 4 ist eine von mehreren bekannten
Ausführungsformen einer derartigen Amplitudenvergleichsschaltung.