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Radarsystem mit Panoramaanzeige Die Erfindung betrifft ein Radarsystem
mit Panoramaanzeige, insbesondere einen Kippgenerator zur Verwendung in einem Radarsystem
mit einem Panoramasichtgerät (PPI-Sichtgerät).
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Bei PPI-Radarsystemen wird auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre
eine polare Karte aller ObJeKte angezeigt, die innerhalb eines bestimmten Radius
von der Radarstation Echoimpulse erzeugen. Auf solch einer polaren Karte wird die
Lage einzelner Objekte durch Angabe der Abstands- und Winkelkoordinaten bezüglich
der Radarstation angezeigt.
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Bei einer typischen PPI-Radaranlage dreht sich die Antenne kontinuierlich
um einen Winkel von 36o0. An verschiedenen Winkelstellungen während ihrer Drehung
sendet und empfängt die Antenne Radarimpulse. Während einer Umdrehung der Antenne
findet eine Vielzahl von Radarimpuls-Sendevorgängen und Impulsecho-Empfarlgsvorgängen
statt. Für Jeden bei einer bestimmten Winkel
stellung der Antenne
abgestrahlten und empfangenen Radarimpuis -wird eine radiale Meßlinie bei einer
dazugehörigen Winkelstellung auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre erzeugt.
Die Winkellage aufeinanderfolgender Meßlinien ändert sich im Uhrzeigersinn, und
die Meßlinien erscheinen als eine einzige Linie, die sich um einen Ursprung im Mittelpunkt
der Kathodenstrahlröhre dreht. Die Meßlinie führt bei Jeder vollen Drehung der Antenne
eine volle Drehung auf dem Schirm der Röhre aus, wobei die Lage -der Meßlinie Jederzeit
der Richtung entspricht, in die die Antenne zu dieser Zeit gerichtet ist.
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Die Drehgeschwindigkeit der sich drehenden Meßlinie muß genau mit
der der Antenne synchronisiert sein. Die vorliegende Erfindung verwirklich diese
notwendige Synchronisation. Die vorliegende Erfindung setzt die Winkeldrehung der
Radarantenne wirksam in eine PPI-Anzeige zur Darstellung auf dem Schirm einer Kathoden
strahlröhre um.
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Zu diesem Zweck sind verschiedene Systeme bekannt. Ein System besteht
darin, daß radiale Meßlinien elektronisch auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre
erzeugt werden, bei der ein MagnetJoch zur Strahlablenkung verwendet wird. Bei diesem
Verfahren wird das Joch mechanisch durch eine Servovorrichtung um den Hals der Kathodenstrahlröhre
gedreht, wobei die Servovorrichtung durch Eingangssignale von der Radarantenne angetrieben
wird. Auf diese Weise werden die mit konstanter Folge frequenz auftretenden radialen
Meßlinien auf dem Schirm der Röhre synchron -mit der Antenne gedreht. Die Nachteile
der Verwendung eines beweglichen Teiles
für solch ein entscheidendes
Bauteil wie das AblenkJoch sind offensichtlich (eine zusätzliche Kupplungseinrichtung,
Abrieb, erhöhte Wartung usw.).Ferner ist solch ein System unvereinbar mit der Darstellung
von Symbolen (beispielsweise alphanumerische Symbole), die bezüglich der sich drehenden
Meßlinien stationär sein sollen.
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Bei einem weiteren System wird das wohlbekannte Verfahren verwendet,
daß sinusförmig und kosinusförmig veränderliche Kippspannungen an die horizontalen
und vertikalen Ablenkelemente einel Kathodenstrahlröhre angelegt werden. In diesem
System wird die radiale Meßlinie durch eine Kippspannung verursacht, die sich tatsächlich
aus Überlagerung zweier Kippspannungen ergibt, von denen die eine als sinus und
die andere als Kosinus mit einer durch die Drehgeschwindigkeit der Antenne festgelegten
Frequenz geändert wird.
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Eine Möglichkeit, dieses System zu verwirklichen, besteht in der Verwendung
eines Synchron-Drehmelders, dessen Primärwicklung durch eine Welle gedreht wird,
die mit der Geschwindigkeit der Antenne und synchron dazu gedreht wird. Eine Kippspannung
Et (t ist die für die Zeit des Nullbereiches gemessene Zeit) wird an die Primärwicklung
des Drehmelders angelegt. Die Ausgangssignale an den Sekundärwicklungen des Drehmelders
haben dann die Form (E.cos ) t und (E.sin.#) t, wobei /31der Winkel ist, den die
Antenne mit einer Bezugsrichtung, beispielsweise Norden, einschließt.
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Wegen der Wechselstromkopplung des Drehmelders hat Jedoch die Kippspannung,
die beim Anlegen an die primäre Wicklung des Drehmelders eine Bezugsgleichspannung
gleich Null hat, eine erdfreie Bezugsgleichspannung an den Sekundärwicklungen. Dieser
Verlust des Bezugspunktes bewirkt, daß die radialen Meßlinien auf der Kathodenstrahlröhre
an einem von dem Mittelpunkt des Schirmes verschiedenen Punkt entspringen. Daher
muß eine Gleichstrom-Rückstellschaltung verwendet werden, um den Gleichspannungs-Nullbezugspunkt
der Kippspannungen-an den Sekundärwicklungen des Drehmelders wiederherzustellen.
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Ferner hat ein gewöhnlicher Synchron-Drehmelder einen sehr engen Durchlaßbereich.
Eine Kippspannung, die im wesentlichen ein Sägezahn ist, enthält viele Harmonische
der Grundfrequenz, die der Drehmelder nicht durchlassen kann. In solch einem Fall
wird die Kippspannung so stark verformt, daß sie für eine einwandfreie Ablenkung
des Elektronenstrahles in der Kathodenstrahlröhre unbrauchbar ist. Daher müßten
verwickelte elektronische Schaltungen verwendet werden, um die Linearität der Kippspannung
entweder durch Abwandlung der Kippspannung am Eingang oder durch Verwendung komplexer
Rückkopplungs-Schaltungstechniken nach der Umsetzung zu verbessern. Selbst die besten
und teuersten Synchron-Drehmelder haben einen schlechten Frequenzgang, daß immer
noch der größte die oben erwähnten Korrekturschaltungen zum größten Teil oder sogar
vollständig benötigt werden.
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In der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls von dem Prinzip Gebrauch
gemacht, daß sinusförmig und kosinusförmig veränderliche Kippspannungen an die Ablenkelemente
einer Kathodenstrahlröhre angelegt werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch
ein gewöhnlicher, preiswerter Synchron-Drehmelder mit niedrigem Frequenzgang verwendet,
ohne daß ein empfindlicher elektronischer Schaltkreis zur Korrektur der Linearität
der Ausgangskippspannung benötigt wird. Gleichzeitig bedarf die Erfindung keines
Gleichspannungs-Rückstellschaltkreises.
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Zur Durchführung der oben beschriebenen Funktionen wird in der vorliegenden
Erfindung ein Synchron-Drehmelder konventioneller und Bauweise verwendet, der eine
drehbare PrimArwicklung/zwei stationäre Sekundärwicklungen aufweist. Im vorliegenden
Fall wird die Primärwicklung mit derselben Geschwindigkeit wie die Abtastantenne
gedreht, d.h. sie kann dadurch angetrieben werden, daß sie mit der Welle verbunden
wird, die die Abtastantenne dreht.
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Eine Bezugsspannung, beispielsweise eine Rechteckwelle, wird zur Erregung
der Primärwicklung verwendet, wobei an den Ausgängen der beiden Sekundärwicklungen
die Sinus- und Kosinusfunktion des Winkels erzeugt wird, den die Abtastantenne mit
einer Bezugsrichtung, beispielsweise Norden, einschließt.
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Das Ausgangssignal Jeder Sekundärwicklung wird dann synchron demoduliert
und durch einen Filter geschickt, der die Träger-oder Bezugsspannung ausfiltert.
Das Ausgangssignal Jeder Filterstufe wird dann einmal für Jede radiale Meßlinie
der Kathodenstrahlröhre integriert. Die Integrationsperioden selbst sind steuerbar
und werden über so kurze Zeitintervalle durchgeführt,
daß die integrierte
Spannung im wesentlichen konstant ist. Auf diese Weise werden Spannungssägezähne
geschaffen, deren maximale Amplituden Jeweils gemäß der Sinus- und Kosinusfunktion
des Winkels variieren, den die Abtastantenne mit der Bezugsrichtung einschließt.
Diese sinusförmig variierenden Spannungssägezähne liefern die X- und Y-Komponenten
der radialen Radarmeßlinien, die bewirken, daß sich die Meßlinien um den Mittelpunkt
des Schirmes der Kathodenstrahlröhre mit der eichen Geschwindigkeit und synchron
mit der Abtastantenne drehen.
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Ein PPI-Radarsystem mit einer sich drehenden Antenne ist gemäß der
Erfindung gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zur Erzeugung einer ersten
im wesentlichen auf eine Bezugsgleichspannung gleich Null bezogenen, sinuswellenförmigen
Spannung, die sich gemäß dem Sinus des Winkels ändert, den die Antenne mit einer
Bezugsrichtung einschließt, und einer zweiten, im wesentlichen auf eine Bezugsgleichspannung
gleich Null bezogenen Sinuswellenförmigen Spannung, die sich gemäß dem Kosinus dieses
Winkels ändert, und durch eine zweite Einrichtung, die mit der ersten Einrichtung
zur Integration der ersten und der zweiten Spannung an vielen Zeitpunkten während
jeder Periode der ersten und der zweiten Spannung zusammenwirkt, um als Ausgangssignal
einen ersten Signalzug,aus Spannungssägezähnen, deren Amplitude gemäß der ersten
Spannung variiert, und einen zweiten Signalzug, aus Spannungssägezähnen, deren Amplitude
sich gemäß der zweiten Spannung ändert, zu erzeugen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen
beschriebenen. Es zeigt: Fig. 1 in Form eines Blockdiagrams eine vorzugsweise AusfGhrungsform
der Erfindung; Fig. 2 schematisch einen Synchron-Drehmelder, der zur Verwendung
in der Erfindung geeignet ist; Fig. 3 schematisch einen rückstellbaren Integrator,
der in der Erfindung verwendet werden kann; Fig. 4 graphische Darstellungen von
Wellenformen, die die Spannungen an verschiedenen Punkten in der Erfindung darstellen
und zum Verständnis der Erfindung beitragen.
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In Fig. 1 ist ein Synchron-Drehmelder 11 gezeigt. Der Drehmelder 11
weist (Fig. 2) eine drehbare Primärwicklung lla auf, die induktiv mit zweiorthogonal
angeordneten Sekundärwicklungen ilb und lic gekoppelt ist. Die Primärwicklung lia
(Fign. 4 und 2) des Drehmelders ii wird mit einer mechanischen und mit einer elektrischen
Eingangsgröße beaufschlagt. Die mechanische Eingangsgröße besteht aus der Drehung
der Primärwicklung lla bezüglich der Sekundärwicklungen llb und llc durch die Welle,
die die Abtastantenne um 360° dreht. Der Drehmelder 11 kann an der Welle 12 der
Abtastantenne 13 montiert sein oder auf andere Weise angetrieben werden.
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Die andere Eingangsgröße an dem Drehmelder li ist eine elektrische
Größe, die von dem Rechteckwellenoszillator 14 erzeugt wird.
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Der Rechteckwellenoszillator 14 gibt eine Erregerspannung an die Prlmärwleklung
iia des Drehmelders 11 ab. Die Frequenz der Rechteckwelle liegt innerhalb des Durchlaßbereiches
des Drehmelders und kann 2500 Hz betragen. Die Verwendung einer Rechteckwelle ist
nicht entscheidend, und eine Sinuswelle könnte ebenfalls verwendet werden, um die
Primärwicklung lla zu erregen.
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Da sich die Primärwicklung lia mit derselben Geschwindigkeit wie die
Abtastantenne 15 dreht, sind die Ausgangssignale an den Sekundärwicklungen llb und
llc eine Funktion des sich ändernden Winkels, den die Abtastantenne mit einer Bezugsrichtung,
beispielsweise Norden, einschließt.
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Genauer gesagt, wenn die Grundfrequenz der Rechteckwelle, die an die
Primärwicklung 11a angelegt wird, als E.sin ut angenommen wird, sind die Ausgangssignale
an den Sekundärwicklungen lib und llc gegeben durch: EKcos o sin ut und EKsin 4
sin ut, wobei K der maximale Kopplungskoeffizient zwischen der Primärwicklung und
den Sekundärwicklungen des Drehmelders, wider Winkel ist, den der Drehmelder und
daher die Abtastantenne mit der Bezugsrichtung einschließt. Das Ausgangssignal an
den Sekundärwicklungen lib und llc ist eine Rechteckwelle, die durch die von dem
Winkel abhängigen Sinus- und Kosinusfunktionen moduliert ist.
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In Fig. 4 zeigt die Rechteckweile, die auf der Linie A dargestellt
ist, die Erregerspannung, die an die Primärwicklung lla des Drehmelders 11 angelegt
wird. Die Wellenform auf der Linie B ist die Ausgangswellenform an der Sekundärwicklung
lib des Drehmelders 11. Die Ausgangsspannung ist eine Rechteckwellenspannung, die
gemäß der Sinusfunktion des Winkels #, den die sich drehende Primärwicklung lla
mit der Bezugsrichtung einschließt, moduliert ist. Da die Primärwicklung lla mit
der Abtastantenne gedreht wird, ist auch der Winkel, den die Abtastantenne mit der
Bezugsrichtung einschließt. Das Ausgangssignal der Sekundärwicklung llc des Drehmelders
11 ist eine Kosinusfunktion des Winkels zu 6 die um 900 gegenüber der Sinusfunktion
phasenverschoben ist.
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Die Sekundärwicklung lib ist mit einem phasenempfindlichen Detektor
15 oder Synehrongleichrichtern verbunden, während der Ausgang der Sekundärwicklung
llc mit einem phasenempfindlichen Detek tor 16 verbunden ist. Die phasenempfindlichen
Detektoren empfange ferner Eingangssignale von dem Oszillator 14 und werden mit
der gleichen Eingangswellenform angetrieben, die zur Erregung der Primärwicklung
11a des Drehmelders 11 verwendet wird. Die phasenempfindlichen Detektoren 15 und
16 sind in konventioneller Bauweise ausgefGhrtsund und Jeder kann einen einzigen
Transistorschalter aufweisen.
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Ein typischer phasenempfindlicher Detektor kann einen einzigen Transistor
aufweisen. Der pha8enempfindliche Detektor 15 kann einen Transistor aufweisen, dessen
Basis über einen Widerstand mit dem Ausgangsanßchluß des Oszillators 14 verbunden
ist und
dessen Emitter mit der Sekundärwicklung 11b des Drehmelders
11 verbunden ist. Der Kollektor liegt dann an Erde. Wenn die Rechteckwellenspannung
und die Spannung von der Sekundärwicklung lib in Phase sind, ist der Transistor
nur dann nicht leitend, wenn die Spannung in der Sekundärwicklung 11b positiv ist.
Wenn die Rechteckwellenspannung und die Spannung von der SekundErwicklung lib außer
Phase sind, ist der Transistor nur dann nicht leitend, wenn die Spannung in der
Sekundärwicklung lib negativ ist. Bei dem phasenempfindlichen Detektor wird die
Fähigkeit eine Transistors ausgenutzt, die Richtung eines Stromes in Abhängigkei
von einer bestimmten Vorspannung des Transistors umzutehren.
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Jeder der phasenempfindlichen Detektoren 15 und 16 eliminiert abwechselnd
den negativen und den positiven Teil der modulierten Signale, die von den entsprechenden
Sekundärwicklungen des Drehmelders 11 abgenommen werden. Die Wellenform, die von
dem phasensynchronen Detektor 15 durchgelassen wird, ist in der Wellenform auf der
Linie C der Fig. 4 gezeigt. Außer einer -Phasenverschiebung um 900 ist das Auagangssignal
an dem phasenempfindliche Detektor 16 mit dem Ausgangssignal an dem phasenemprindlichen
Detektor 15 identisch.
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Die Ausgänge der phasenempfindlichen Detektoren 15 und 16 sind mit
Tiefpaßfiltern 17 und 18 verbunden.
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Die Filter 17 und 18 filtern die hohen Frequenzen oder die resthohen
Teile der Rechteckwelle in den Ausgangssignaler der phasenempfindlichen Detektoren
15 und 16 aus. Die Äusgangssignale der Filter 17 und 18 haben die Form: E * sin
# bzw. E . cos #.
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Die Sinus- und Kosinusfunktion des Winkels W , der die PriXErwicklung
lla und die Abtastantenne 13 mit einer Referenzrichtung bildet, sind nun extrahiert.
Die Wellenform D in Fig. 4 zeigt das Signal aus dem Filter 17. Die Wellenformen
aus den Filtern 17 und 18 sind außer einer Phasenverschiebung um 900 identisch.
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Von diesen Signalen werden sinusförmig und cosinusförmig veränderliche
Kippspannungen erzeugt.
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Die durch die Wellenform D und die entsprechende Kosinuswelle dargestellten
Signale werden als Eingangssignale den rUckstellbaren Integratoren 19 und 20 zugeführt.
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Die rückitelibaren Integratoren 19 und 20 sind in konventioneller
Bauweise ausgeführt. Jeder ist im wesentlichen ein Funktionsverstärker, der als
Millerintegrator geschaltet ist. Ein Millerintegrator ist ein Funktionsverstärker
mit einem Eingangswiderstand und einer Rückkopplungskapazität. Das Rückstellen besteht
in der Steuerung der Integrationsdauer. Die rückstellbare Integratoren 19 und 20
haben einen zweiten gemeinsamen Eingangsleiter 21. Impulse, die an die .rückstellbaren
Integratoren 19 und 20 über den Leiter 21 angelegt werden, steuern den Beginn, die
Dauer und die Beendigung Jeder Integrationsperiode. Die Integrationsperiode wird
so kurz gegenüber der Anderungsgeschwindigkeit der Eingangssinus- und Kosinusspannungen
gewählt, daß die Eingangsspannungen im wesentlichen während einer Integrations periode
konstant ist. Die Ausgangssignale der Integratoren sind
Kippspannungen:
R (sin)t und R(cos 4)t, wobei R eine Konstante und t die von dem Beginn des Integrationsvorganges
angemessene Zeit ist. Der Beginn der Integrationsperiode kann simultan an dem Nullbereich
für jede radiale Radarmeßlinie begonnen werden.
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Fig. 3 zeigt einen als Millerintegrator geschalteten Funktionsverstärker,
wie er in Jedem der rAckstellbaren Integratoren 19 und 20 verwendet wird. Der Millerintegrator
weist einen Verstärker 22 mit einer KapazlQt 23 auf, die zwischen dem Eingang und
dem Ausgang des Verstärkers liegt. Der Verstärker 22 hat ferner einen Eingangs-Widerstand
24. Ein normalerweise offener Schalter 25 ist der Kapazität 23 parallelgeschaltet.
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Im Betrieb gibt der Millerintegrator (Fig. 3) bei einer sinusförmig
variierenden Eingangsspannung eine Reihe Sägezähnspannungen ab, deren Amplitude
in Übereinstimmung mit der Eingangsspannung sich ebenfalls sinusförmig ändert. Wenn
der Schalter 25 ge schlossen ist, hat der Nillerintegrator keine Ausgangs spannung
Wenn der Schalter 25 offen ist, wird die am Eingang liegende Spannung während des
Zeitintervalls, in dem der Schalter 25 offen ist, durch den Widerstand 24 und die
Kapazität 29 integriert.
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Die Zeitdauer, während der der Schalter offen ist, und daher die Zeitdauer,
während der der Schaltkreis von Fig. 3 integriert wird gegenüber der Periode der
in der Linie D von Fig. 4 gezeigte Wellenform so klein gewählt, daß der Millerintegrator
(Fig.3) im wesentlichen eine konstante Gleichspannung sieht. Während der Zeit, in
der der Schalter 25 offen ist, ist das Ausgangsslgnal des Integrators von Fig. 3
eine Sägezahnspannung mit einem linearen
Anstieg in der Zeit,
die unmittelbar auf Erdspannung abfällt, wenn der Schalter 25 geschlossen wird.
Der Schalter 25 wird relativ oft (die Zahl der Öffnungsvorgänge ist gleich der Zahl
der radialen Radarmeßlinien) während eines Zyklus der Spannung geöffnet, die dem
rückstellbaren Integrator von dem entsprechenden Filter zugeführt wird. Das Ausgangssignal
des rückstellbaren Integrators 19 weist eine Reihe Sägezahnspannungen auf, die sich
sinusförmig ändern, wie in der Linie E von Fig. 4 gezeigt ist.
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Die Sägezahnspannungen beider rückstellbarer Integratoren liegen in
einer Form vor, die geeignet ist, den X- und Y-Ablenkelementen einer Kathodenstrahlröhre
zugeführt zu werden, um diesen die benötigten Komponenten Jeder radialen Meßlinie
in dem PPI-Radarsystem zuzuführen. Wenn die Spannung von dem Filter 16 durch die
in der Linie D von Fig. 4 gezeigte Wellenform gegeben ist, wird das Ausgangs signal
des rückstellbaren Integrators 19 durch die Wellenformen auf der Linie E von Fig.
4 dargestellt. Der rückstellbare Integrator 20 hat ein Ausgangssignal, das ähnlich
zu der in der Linie E gezeigten Wellenform ist. Seine SEgezahnspannungen ändern
sich gemäß einer Kosinusfunktion des Winkels Obwohl sie nur als einfacher Schalter
25 gezeigt ist, kann die Einrichtung zur Steuerung der Integrationsperiode in Jedem
der rückstellbaren Integratoren 19 und 20 eine Transistorschaltstufe sein, die durch
von dem Leiter 21geführte Impulse gesteuert werden kann. Jeder rückstellbare Integrator
19 und 20 integriert über die gleiche Periode und die Zahl der Steuerimpulse, die
über den Leiter 21 zugeführt werden, ist gleich der Zahl der radialen Meßlinien,
die während einer vollständigen Drehung der
Abtastantenne 13 und
der Primärwicklung lla auftreten. Das Ausgangssignal des rückstellbaren Integrators
19 hat dann die Form (E.sin # )t, und das Ausgangssignal des rückstellbaren Integrators
20 ist gegeben durch (E.cos )t. Diese Ausgangssignale werden mit dem vertikalen
und dem horizontalen Eingang einer Ablenkverstärkereinrichtung verbunden, die im
Ausführungsbeispiel als zwei Ablenkverstärker 26 und 27 gezeigt ist. Die Ausgangssignale
des Ablenkverstärkers 26 werden den in der Kathodenstrahlröhre 28 vorgesehenen Elementen
zur horizontalen Ablenkung zugeführt.
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Die Ausgänge des Ablenkverstärkers 27 sind mit den in der Kathodenstrahlröhre
28 vorgesehenen Eiementen zur vertikalen Ablenkung verbunden. Die Ablenkelemente
können magnetisch oder elektrisch ausgeführt sein.
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Da die Ausgangssignale der rückstellbaren Integratoren 19 und 20 durch
(E.sint und (E.cosYt gegeben sind, ist die an die Ablenkelemente der Kathodenstrahlröhre
28 abgegebene, resultierende Vektorspannung gleich der Quadratwurzel aus E2t2 (cos21W+
+ sin2½). Da cos sin2 %= 1 ist, ist die Amplitude des Sägezahns Jederzeit gleich
und reicht aus, den Strahl der Kathodenstrahlröhre von dem Zentrum der Röhre bis
an den äußeren Rand abzulenken. Der Winkel, den Jede radiale Meßlinie mit der Bezugsrichtung
einschließt, entspricht dem Winkel der von der Antenne an dem Jeweiligen Zeitpunkt
eingenommen wird.
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Da bei verschiedenen Bereichen größere oder kleiner Spannungssäge
zähne benötigt werden, um den Strahl zu veranlassen, daß
er eine
Spur bis zum äußeren Rand des Schirmes der Kathodenstrahlröhre legt, kann es notwendig
werden, daß die Kapazität 23 in Jedem rflckstellbaren Integrator geändert wird.
Das wird dadurch erreicht, daß ein Satz mehrerer Kapazitäten vorgesehen wird, die
wahlweise den entsprechenden Verstärkern 22 Jedes rückstellbaren Integrators 19
und 20 parallelgeschaltet werden können.
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Es wird ein System geschaffen, um die Winkeldrehung einer Antenne
einer Abtastradarantenne in eine PPI-Anzeige zur Darstellung auf dem Schirm einer
Kathodenstrahlröhre umzusetzen.