DE2249473B2

DE2249473B2 - Mikrowellen-sendeanordnung, bei der die frequenz der abgestrahlten mikrowellen eine funktion der strahlungsrichtung ist

Info

Publication number: DE2249473B2
Application number: DE19722249473
Authority: DE
Inventors: William Francis; Wells Edward Marshall; Great Baddow Essex Miller (Großbritannien)
Original assignee: The Marconi Co. Ltd, Chelmsford, Essex (Großbritannien)
Priority date: 1971-10-08
Filing date: 1972-10-09
Publication date: 1978-01-12
Also published as: US3858215A; FR2157841B1; AU466332B2; JPS4849391A; DE2249473C3; FR2157841A1; DE2249473A1; GB1400008A; AU4754372A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Sendeanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Solche Mikrowellen-Sendeanordnungen werden insbesondere bei Flugzeug-Landesystemen bzw. Flugzeug-Blindlandesystemen eingesetzt, bei denen ein Flugzeug vom Boden ausgestrahlte Mikrowellensignale empfängt und durch Messen der Frequenz(en) der empfangenen Mikrowellensignale seinen Positionswinkel relativ zum Sender bestimmen kann. Sendet man Signale, deren Frequenzen sich sowohl für den Elevationswinkel als auch für den Azimuthwinkel ändern, so können sowohl der Horizontalwinkel als auch der Gleitweg eines landenden Flugzeuges bestimmt werden.

Aus einem Artikel in der Zeitschrift »electronics«, 29. März 1973, Seite 27 bis 32 ist eine Empfangsanisage bekannt, bei der eine einfallende elektromagnetische Welle zu einem Ausgangssignal führt, aus dessen Frequenz auf die Einfallsrichtung der Welle geschlossen werden kann. Eine solche Anlage kann man auch funktionell umkehren, d. h., das dort verwendete Prinzip kann zum Aussenden elektromagnetischer Wellen herangezogen werden.

Dabei kann eine vertikale Reihe von Einzelstrahlern zur Bestimmung des Elevationswinkels und eine weitere horizontale Reihe von Einzelstrahlern zur Bestimmung des Azimuthwinkels vorgesehen sein. Impulse mit vorherbestimmter Amplitude werden nacheinander und periodisch an jeden der Einzelstrahler oder Gruppen von Einzelstrahlern angelegt. Auf diese Weise wird ein Linienspektrum von Frequenzen ausgestrahlt, wobei die verschiedenen Frequenzen des Linienspektrums in jeweils spezifischen, vorbestimmten Richtungen abgestrahlt werden. Die tatsächliche Richtung wird bestimmt, indem die Interferenz zwischen der von den Einzelstrahlern abgegegebenen Energie bestimmt wird. Dabei werden die Einzelstrahler der Strahlerlinien nacheinander mit demselben, unveränderten Trägersignal beaufschlagt, so daß jeweils der nächste Einzelstrahier zum gleichen Zeitpunkt eingeschaltet wird, an dem der vorhergehende Strahler ausgeschaltet wird. Auf diese Weise wird eine sich in Richtung der Strahlerlinie schrittweise vorwärtsbewegende Strahlungsquelle simuliert, so daß von einem Empfänger für diese Strahlung eine Frequenzverschiebung wahrge-

nommen wird, die in gewisser Hinsicht mit dem bekannten »Doppler-Effekt« verglichen werden kann. Diese »Doppler-Frequenzverschiebung« kann beispielsweise von einem die Ivlikrowellensignale empfangenden Flugzeug festgestellt werden, so daß aus dieser von der Winkelrichtung des Flugzeugs abhängenden Frequenzverschiebung seine Lage festgestellt werden kann.

Eine solche Mikrowellen-Senderanordnung hai jedoch in der Praxis mehrere Nachteile gezeigt. Dabei muß beispielsweise die Zahl der verschiedenen Linienfrequenzen auf einen bestimmten Höchstwert begrenzt werden; um dies zu erreichen, muß das Amplitudenprofil eines jeden ausgesendeten Impulses sehr sorgfältig geformt werden, wobei Rechteckimpulse theoretisch zu einer unendlich großen Zahl von Linienfrequenzen führen. Im allgemeinen wird deshalb von jedem Einzelstrahler ein Signal ausgesendet, das ein Schwingimpuls der Trägerfrequenz mit einer Einhüllenden ist, die einem Rechteckimpuls entspricht. Um einen wahrnehmbaren »Doppler-Effekt« zu erreichen, muß die scheinbare Bewegung der Strahlungsquelle, d. h., das aufeinanderfolgende Einschalten der Einzelstrahler, sehr schnell erfolgen, so daß die einzelnen Schwingimpulse äußerst kurz sind. Dies führt gemeinsam mit der Rechteckform der Schwingimpulse zu einer Vielzahl starker Oberwellen, die eine eindeutige Zuordnung zwischen einer bestimmten Strahlungsfrequenz und einer bestimmten Richtung sehr erschweren. Da außerdem zu jedem Zeitpunkt nur ein Strahler eingeschaltet ist, entspricht die Gesamtleistung nur der Sendeleistung eines einzelnen eingeschalteten Strahlers. Zur Erzielung einer hohen Gesamtleistung muß daher der von jedem Strahler gesendete Schwingimpuls einen ziemlich hohen Leistungspegel haben; dies führt jedoch zu Schwierigkeiten bei der Auslegung der Schalteinrichtungen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellen-Sendeanordnung der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die Notwendigkeit der Ein- und Ausschaltung hoher Leitungspegel für die Einzelstrahler entfällt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Während also bei der bekannten Mikrowellen-Empfangsanordnnng die Leistung für jeden einzelnen Strahler kurzzeitig eingeschaltet und dann wieder abgeschaltet wird, erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung eine Frequenzmodulation, die keine Leistungsschalter erfordert. Außerdem können alle Einzelstrahler gleichzeitig strahlen, so daß die gesamte Sendeleistung der Anordnung bei gleicher Strahlerbelastung höher ist. Und schließlich treten keine die Zuordnung von Frequenz und Strahlungjrichtung erschwerenden Störspektren auf, wie sie bei rechteckförmigen Schwingimpulsen nicht zu vermeiden sind.

Zweckmäßigerweise wird eine Dreieck-Frequenzmodulation mit konstanter Amplitude verwendet.

Die Dreieck-Frequenzmodulation kann so ausgebildet sein, daß sich der Wert der Frequenz linear mit der Zeit über eine vorherbestimmte Periode ändert; nach dieser Periode kehrt die Frequenz zu ihrem ursprünglichen Wert zurück. Als Alternative hierzu kann auch mit einer Sägezahn-Frequenzmodulation gearbeitet werden, bei der die Rückkehr zu der ursprünglichen Frequenz abrupt bzw. sehr rasch erfolgt.

Die Amplitude der abgestrahlten Welle sollte sich zu jedem linde der linearen Reihe bzw. des linemen Feldes von Einzelstrahlern hin verjüngen. Deshalb wird die Amplitude des von jedem Einzelstrahler abgegebenen Signals abgetastet und mil einem Signal verglichen, das

■> einen gewünschten Amplitudenpegel darstellt; außerdem ist eine Einrichtung zur Steuerung der Amplitude in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs vorgesehen, wodurch sich der gewünschte Amplitudenpegel einstellen läßt.

κι In den Fällen, bei denen das Mikrowellen-Trägersignal jedem Einzelstrahler von einem zentralen Generator zugeführt wird, sollten die relativen Phasen des von den verschiedenenen Einzelstrahlern abgegebenen Mikrowellen-Trägersignals von Zeit zu Zeil überprüft

i-j werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird deshalb die Modulation des Mikrowellen-Trägersignals von Zeit zu Zeit unterbrochen, wobei die Phasen des nichlmodulierten Mikrowellen-Trägersignals für benachbarte Paare von Einzelstrahlern verglichen werden; zweckmäßigerweise wird dann die Phase des Mikrowellen-Trägersignals in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs eingestellt, um eine etwaige Phasendifferenz zu beseitigen oder zumindest zu verringern.

Eins dieser linearen Felder von Einzelstrahlern kann entweder zur Bestimmung der Elevation oder des Azimuthwinkels benutzt werden; nach einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Mikrowellen-Sendean-Ordnung umfaßt die Mikrowellen-Sendeanordnung zwei solche lineare Felder von Einzelstrahler sowie die entsprechenden Versorgungseinrichtungen, um gleichzeitig sowohl die Elevation als auch den Azimuthwinkel bestimmen zu können. In diesem Fall sind für die beiden Felder verschiedene Mikrowellen-Trägersignalfrequenzen erforderlich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Mikrowellen-Sendeanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Teil der Mikrowellen-Sendeanordnung in einer detaillierten Darstellung,

F i g. 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung von F i g. 2 und

Fig.5 eine Modifikation des in Fig.4 gezeigten Diagramms.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist ein Generator 10 für

so Mikrowellen-Trägersignale jeweils mit N Bausteinen verbunden, die mit t, 2, 3 ... N bezeichnet sind. Jeder Baustein bzw. jeder Modul ist mit einem entsprechenden, Mikrowellen abgebenden Einzelstrahler 11 gekoppelt, während jeder Modul zur Durchführung eines Phasenvergleichs mit dem benachbarten Modul verbunden ist.

Ein Modul ist in Fig.2 im Detail dargestellt; dabei bezeichnet ein Eingang 12 die Stelle, mit welcher der Generator 10 für die Mikrowellen-Trägersignale verbunden ist. Zwischen dem Eingang 12 und einem Ausgang 13 sind in Reihe ein steuerbares Dämpfungsglied 14, ein einstellbarer Phasenschieber 15 und ein Modulator 16 in der angegebenen Reihenfolge geschaltet. Der in F i g. 1 gezeigte Einzelstrahler 11 ist mit dem Ausgang 13 verbunden. Zwischen dem Modulator 16 und dem Ausgang 13 ist ein Kopplungsglied 17 vorgesehen, das mit einem Mischer 18 und einem Eingang eines Komparators 19 verbunden ist. Ein

weiterer Eingang des Komparaiors 19 ist an eine Bcwcruingsschitltung 20 angeschlossen: das Ausgangssignal des Komparator 19 dient als Stcueranschluß für das steuerbare Dämpfungsglied 14. Der Mischer 18 ist an einen Eingang 21 angeschlossen, während sein Ausgang mil dem steuerbaren Phasenschieber 15 verbunden is'. Der Modulator 16 ist an einen Wellcnformgcnerator 22 angeschlossen, der seinerseits mit einem Taklsteuerkrcis 23 verbunden ist. Ein weiteres Kopplungsglicd 24 ist im Bereich des 1» Kopplungsgliedes 17 vorgesehen und mit einer Klemme 25 verbunden. Die Klemmen 21 und 25 sind jeweils mit einem der beiden benachbarten Modulen 1, 2, 3 ... N verbunden. Jeder Modul 1,2,3... Nist so aufgebaut, wie es in Fig. 2 dargestellt ist; alle Modulen sind identisch mit der Ausnahme, daß die Klemme 21 beim Modul 1 und die Klemme 25 beim Modul Λ/unbenutzt bleiben.

Im folgenden soll anhand der Fig. 3 und 4 die Funktionsweise der Mikrowellen-Sendeanordnung beschrieben werden. In F i g. 3 ist anhand eines vereinfachten Schaubildes die Strahlungscharakteristik der Mikrowellen-Scndeanordnung nach der Erfindung dargestellt. Die Linie 31 stellt die zur Richtung der linearen Reihe von Einzelstrahlern senkrechte Richtung dar; die von dem Generator für das Mikrowellen-Trägersignal erzeugte Trägerfrequenz wird in Richtung der Linie 31 ausgesandt. Wenn der Winkel θ zunimmt, so steigt auch die Frequenz des ausgesandten Signals progressiv in diskreten Schritten an, wobei die Frequenz bei einem besonderen Winkel in Form einer Keule ausgestrahlt wird, wie es beispielsweise durch die Keule 32 angedeutet wird. Es soll angenommen werden, daß die ausgestrahlten Frequenzen anwachsen, wenn der Winkel Θ nach rechts zunimmt, und abnehmen, wenn der Winkel θ nach links zunimmt. Die sich ergebende r> Strahlungscharaktcristik besteht aus einer großen Zahl von sich teilweise überlappenden Keulen, die als »Speichen« von dem Sender ausgehen, wobei jede Keule ihre eigene charakteristische Frequenz hat. Somit schneidet und empfängt ein Flugzeug beispielsweise an dem Punkt 33 ein Linienspektrum von Frequenzen und kann präzise seine Winkellage relativ zu dem Sender bestimmen, indem die relativen Amplituden der Frequenzen ermittelt werden.

In der Praxis werden zwei getrennte Kculensätze verwendet, und zwar einer in der Elevationsebene und der andere in der Azimuthebene, damit ein zum Landen ansetzendes Flugzeug sowohl seine Anflug-Peilung bzw. seinen horizontalen Anflugwinkel als auch seine Gleitbahn genau feststellen kann.

Diese Strahlungscharakteristik wird in der folgenden Weise erzeugt: Das von dem Generator 10 gelieferte zentrische Mikrowcllcn-Trägersignal wird in dem Modulator 16 mittels einer Sägezahn-Frequenzmodtilation mit konstanter Amplitude moduliert, die durch den >5 Wellenformgciicralor 22 erzeugt wird. Eine Sägezahn-Frequenzmodulalion ist in F i g. 4 durch die durchgezogene Linie I dargestellt. Diese Frequenzmodulation wird dem Mikrowellcn-Trägcrsignal fc überlagert und durch den Modul 1 abgegeben. Ähnliche Wcllcnformcn m> 2, 3 ... N werden durch die Modulen 2, 3 ... N erzeugt, jedoch progressiv jeweils um die Zeitspanne τ verzögert. Die Verzögerung r wird durch den Taktsteuerkreis 23 definiert, wobei entsprechende Taklstcuerkrcise 23 in jedem Modul, bei Bedarf mit ivi einem synchronisierenden Uivugssignal, vorgesehen sind.

Ik'i diesen abgestrahlten Signalen gellen die folgenden Beziehungen zwischen der abgestrahlten Frequenz /und dem Winkel Θ:

Jd = γ = γγ sin (-)„ ,

wobei d der räumliche Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlern. A die Wellenlänge der Trägerfrequenz l[; Γ die Periode der Sägezahnmodulation. η eine ganze Zahl 0, 1 ... und r die bereits erläuterte Verzögerung sind. Die Frequenz /»gibt die Abweichung von derTrägerfrequenz /i an.

f_c wird in der senkrechten Richtung abgestrahlt (d. h. θ,, = 0, n=0); für positive Werte von Q_n nimmt die abgestrahlte Frequenz in diskreten Stufen zu, wobei jede Stufe einem bestimmten Wert von η entspricht. Für negative Werte von Θ,, nimmt die abgestrahlte Frequenz ab.

Der maximale Wert von (o wird durch den Bereich B der Frequenzen der Sägezahn-Frequenzmodulation begrenzt; in der Praxis ist B >-L· .

Um die Form jeder einzelnen Keule zu verbessern und unerwünschte Nebenkeulen zu verringern, sollte den durch die Strahlerreihe ausgesandten Signalen eine Amplitudenverjüngung aufgeprägt werden; zu diesem Zweck ist jeder Modul mit der Bewertungsschaltung 20 versehen. Die Bewertungsschaltung 20 führt dem Komparator 19 eine Gleichspannung zu, welche die erforderliche Bewertung darstellt; der Komparator 19 vergleicht diese Spannung mit einer von dem Kopplungsglied 17 erhaltenen Spannung und steuert die Einstellung des steuerbaren Dämpfungsgliedes 14, bis die beiden Eingangssignale des Komparators 19 gleiche Werte haben.

Da die Trägerfrequenz zu jedem Modul von dem Generator 10 für die Mikrowellen-Trägersignale geführt wird, können unerwünschte relative Phasendifferenzen zwischen den durch die verschiedenen Strahlern ausgesandten Trägerwellensignale entstehen. Der WeI-lenformgenerator 22 wird darum von dem Modulator in jedem Modul periodisch in geeigneten Zeitintervallen abgeschaltet, und das resultierende, unmodulierte Tra'gersignal wird in dem Mischer 18 mit dem unmodulierten Trägersignal von dem vorhergehenden Modul gemischt. Eine etwaige Phasendifferenz macht sich als ein Signal bemerkbar, das den steuerbaren Phasenschieber verstellt, um diese Phasendifferenz zu verringern bzw. ganz zu beseitigen. In der Praxis wird die Phase nur eines Modulpaars zu einem bestimmten Zeitpunkt verglichen, und anschließend werden alle Trägersignale in Phase mit dem Modul I gebracht. Dadurch wird also der Modul 2 mit dem Modul 1 verglichen; wenn seine relative Phase den richtigen Wert hat, wird der Modul 3 mit dem Modul 2 verglichen usw. bis schließlich der Modul N mit dem Modul Λ/-Ι verglichen wird.

Die bisher beschriebene Mikrowcllen-Senclcanordnung besteht aus einer einzigen linearen Anordnung von Strahlern, die dazu dienen, verschiedene Frequenzen entweder in Elevation oder im Azimuth auszusenden. Zwei solcher linearer Anordnungen werden dazu benutzt, sowohl die Elevation als auch den Azimuth zu überstreichen. In diesem Fall wird mit verschiedenen Trägerfrequenzen gearbeitet. Im allgemeinen liegt die

Trägerfrequenz fc zwischen 5 GHz und 3OGHz, während der Frequenzbereich B der Sägezahn-Frequenzmodulation einige zehn kHz betragen kann. Bei diesen Betriebsbedingungen sind typische Werte für T und τ 2 ms bzw. 20 μβ, während die Zahl der Strahler /V=IOOiSt.

In Fig.5 ist eine Modifikation zu den in Fig.4 gezeigten Wellenformen dargestellt. Während bei der Ausführungsform nach Fig.4 die Periode Γ gleich Nv ist, wird der bei der Ausführungsform nach Fig.5 die Periode T sehr viel größer als Mr, im allgemeinen 7"= 100 Λ/τ. Die Größe von T wird durch die erforderliche Schwenk-Geschwindigkeit der ausgesandten Strahlen begrenzt und sollte im allgemeinen nicht größer als 0,1 Sekunden sein. Die modifizierten Wellenformen der Fig.5 bewirken eirle effektiv verringerte Frequenzänderungsgeschwindigkeit für jeden Strahler, so daß eine größere Zahl von Frequenzbereichen erzeugt wird, von denen jede eine reduzierte Strahlbreite hat. Dies ist sehr zweckmäßig, da bei den Wellenformen nach Fig.4 jede Strahlbreite im allgemeinen einem Winkel von 1° entspricht; dann muß ein Flugzeug seine Position bis auf ein Hundertstel eines Grades unter Benutzung mehrerer, sich überlappender Frequenzspeichen interpolieren. Wenn mit einer viel größeren Zahl von engeren Speichen gearbeitet wird

ίο läßt sich diese Interpolation leichter und mit größerei Genauigkeit durchführen.

Da im allgemeinen /b sehr klein gegenüber f_c ist, kanr bei Bedarf eine unmodulierte Frequenz f_c ungerichtei abgestrahlt werden, so daß sich ein definiertei Frequenzbezug ergibt, der zur Feststellung der Fre quenz an Bord des Flugzeuges ausgenutzt werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Sendeanordnung mit einer Quelle zur Lieferung eines Mikrowellen-Trägersignals und mit mehreren, in mindestens einer Linie angeordneten Einzelstrahlern, denen das Trägersignal derart zuführbar ist, daß die Frequenz der abgestrahlten Mikrowellen eine Funktion der Strahlungsrichtung ist, gekennzeichnet durch eine Frequenzmodulationseinrichtung (16, 22, 23), welche die Frequenz des jedem Einzelstrahler (11) zugeführten Trägersignals in jeweils dergleichen Weise, jedoch für aufeinanderfolgende Einzelstrahler längs der Strahlerlinie zeitlich versetzt moduliert. ιs

2. Mikrowellen-Sendeanordnung nach Anspruch

1, gekennzeichnet durch eine Dreieck-Frequenzmodulation mit konstanter Amplitude.

3. Mikrowellen-Sendeanordnung nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei der Dreieck-Frequenzmodulation der Wert der Frequenz linear mit der Zeit für eine vorherbestimmte Periode ändert, und daß die Frequenz nach dieser Periode auf ihren ursprünglichen Wert zurückkehrt.

4. Mikrowellen-Sendeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreieck-Frequenzmodulation eine Sägezahn-Frequenzmodulation ist, bei der die Rückkehr auf die ursprüngliche Frequenz abrupt erfolgt.

5. Mikrowellen-Sendeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einzelstrahler (11) eine separate Frequenzmodulationseinrichtung (1, 2, 3 ... N) zugeordnet ist.

6. Mikrowellen-Sendeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daß die zeitliche Versetzung für jeden Einzelstrahler (U) in bezug auf einen benachbarten Einzelstrahler (11) gleich ist.

7. Mikrowellen-Sendeanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmodulation des ersten Einzelstrahlers (11) relativ zu der Frequenzmodulation des letzten Einzelstrahlers (11) um eine Zeitspanne, die gleich der zeitlichen Versetzung zwischen benachbarten Einzelstrahlern ist, verzögert ist.

8. Mikrowellen-Sendeanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmodulation des ersten Einzelstrahlers (11) relativ zu der Frequenzmodulation des letzten Einzelstrahlers (11) um eine Zeitspanne verzögert ist, die viel größer als die zeitliche Versetzung zwischen benachbarten Einzelstrahlern ist.

9. Mikrowellen-Sendeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einzelstrahler (11) eine Einrichtung (15) zur Steuerung der Phase des von ihm abgestrahlten Mikrowellen-Trägersignals zugeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Einzelstrahler (11) eine Einrichtung zur Steuerung der Amplitude des von ihm abgestrahlten Mikrowellen-Trägersignals zugeordnet ist.

11. Mikrowellen-Sendeanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Mikrowellen-Trägersignals von Zeit zu Zeit unterbrechbar ist, daß eine Vergleichsvorrichtung für die Phasen der unmodulierten Mikrowellen-Trägersignale für benachbarte Paare von Einzelstrahlern (11) vorhanden ist, und daß die Einrichtung zur Steuerung der Phase des Mikrowellen-Tragersignals zur Verringerung einer etwaigen Phasendifferenz abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs gesteuert ist.

12. Mikrowellen-Sendeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in zwei Linien angeordnete Einzelstrahler (11), wobei eine Linie für die Bestimmung der Elevation und die andere Linie für die Bestimmung des Azimuthwinkels verwendet ist.