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Breitbandiges Empfangssystem zur Bestimmung der Einfallsrichtung von
Mikrowellen Bekannte Empfangssysteme zur Ortung von Mikrowellen benötigen eine drehbare
Empfangsantenne, mit der zeitlich nacheinander die in Frage kommenden Empfangsrichtungen
mit hoher Richtungsselektion auf das Vorhandensein von elektromagnetischen Wellenfeldern
abgefragt werden. Nachteilig ist bei solchen Anordnungen, daß kurzzeitig ausgesendete
Wellenfelder nicht oder nur verspätet ermittelt werden können.
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Außerdem ist der Standort von rotierenden Antennenanordnungen - im
Gegensatz zu feststehenden - durch Ausnützung des Dopplereffektes (Doppler-Radar)
feststellbar, was bei militärischen Anwendungen ebenfalls nachteilig ist.
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Der vorliedenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein breitbandiges
Empfangssystem zu entwickeln, mit der ohne Verwendung rotierender Teile die Einfallsrichtungen
von Mikrowellen mit hoher Richtwirkung ermittelt werden können.
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Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit einem Empfangssystem
gelöst werden kann, das im wesentlichen aus einer Kugellinse, deren Antennenfläche
gleichzeitig in allen Richtungen wirksam ist, aus Sensoren sowie aus Anzeigevorrichtungen
besteht. Wichtig ist dabei, daß der Brennfleck der Kugellinse auf der Kugeloberfläche
liegt. Eine Vielzahl von Sensoren, deren geometrische Ausdehnung klein gegenüber
der kürzesten zu empfangenden Wellenlänge ist, beispielsweise ein Viertel der kürzesten
Wellenlänge, ist auf der Kugelfläche gegenüber den möglichen Einfallsrichtungen
der Wellenfelder angeordnet. Die einzelnen Sensoren oder zu Empfangsgruppen zusammengeschaltete
Sensoren sind bei dem erfindungsgemäßen Empfangssystem mit separaten Verstärker-und
Anzeigevorrichtungen verbunden.
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Mit einem solchen Empfangssystem lassen sich nun gleichzeitig und
dennoch mit hoher Richtungsselektion alle Einfallsrichtungen auf das Vorhandensein
von Wellenfeldern abfragen. Da eine Sofortanzeige erfolgt, werden auch kurzzeitig
ausgesendete Wellen ermittelt. Das gesamte Empfangssystem enthält keine rotierenden
oder sonstwie bewegten Teile, so daß eine solche Empfangsstation mit Dopplereffekt-Anlagen
nicht geortet werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung werden als Sensoren
Dioden verwendet, von denen jede einzelne als verkürzter Dipol wirkt und die zu
Empfangsnetzwerken zusammengeschaltet sind. Werden beispielsweise die Dioden in
Brückenanordnung zusammengefügt und wird dabei darauf geachtet, daß ihre Dipolachsen
senkrecht zu einander stehen, erhält man erfindungsgemaß ein Empfangssystem, das
Wellen aller Polarisationsrichtungen im gleichen Maße anzeigt.
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Die Sensoren oder Sensoren-Empfangseinheiten werden zweckmäßigerweise
auf der gesamten unteren Halbkugel der Kugellinse verteilt angeordnet. Es ist auch
möglich und häufig ausreichend, wenn nur auf einem Gürtel auf der Äquatorlinie der
Kugellinse Sensoren - mehreren Reihen nebeneinander -angeordnet sind.
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Schließlich ist es nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung
noch vorgesehen, als Kugellinse eine sogenannte Luneberg-Linse zu verwenden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen aus den folgenden detaillierten Angaben, Erläuterungen und Berechnungen eines
Ausführungsbeispieles der Erfindung hervor, bei dem als Kugellinse eine Luneberg-Linse
vorgesehen ist.
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Die durch die Luneberg-Linse des erfindungsgemäßen Empfangssystems
einfallenden elektromagnetischen Wellen werden, gleichgültig aus welcher Richtung
sie einfallen, auf der der Einfallsrichtung gegenüber liegenden Seite in dem Brennfleck
der Linse gebündelt. Hierfür gelten folgende Beziehungen: Die Halbwertbreite der
Bündelung beträgt
»=Wellenlänge D = Linsendurchmesser Aus (1) errechnet sich die Größe des Linsenbrennflecks
mit dem Durchmesser D'
Unabhängig vom Linsendurchmesser ist damit
Der Linsendurchmesser ist bestimmend für den Gewinn Go
F = Schattenfläche der Luneberg-Linse (Kugel) D Bei einem AD= 8 beträgt z.B. der
Gewinn 28 dB, bei einem D D /# =4 ist der Gewinn um 6 dB auf 22 dB abgefallen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Empfangssystem sind nun auf einem breiten
Gürtel auf oder direkt unterhalb des Äquators der Luneberg-Linse oder gar auf der
ganzen unteren Halbkugel Dioden bzw. ein Netzwerk aus Dioden angeordnet. Diese Dioden
dienen als Sensoren und besitzen eine Länge, die maximal einem Viertel der kürzesten
Wellenlänge entspricht, die mit Hilfe dieses Empfangssystems geortet werden soll.
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Die Dioden sind, wie dies die beigefügte Figur zeigt, rechtwinklig
zueinander angeordnet und nach dem Prinzip von Brückengleichrichtern zusammengeschaltet.
Durch Parallel-und Hintereinanderschaltung der auf diese Weise entstandenen
Vierpole
in Diagonalrichtung entsteht eine netzartige Verknüpfung aller Diodenstrecken.
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Die einzelnen Dioden wirken bei dem erfindungsgemäßen Empfangssystem
als verkürzte Dipole, die durch die einfallenden, in der Luneberg-Linse gebündelten
elektromagentischen Wellen angeregt werden.
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Je nach Energieeinfallsrichtung wird in den Dioden, die sich auf der
der Einfallsrichtung gegenüberliegenden Seite der Linse, also im Brennfleck befinden,
eine Spannung hervorgerufen, die an den parallel geschalteten Ausgängen der abgebildeten
Brückenschaltungen zu einem gleichgerichteten Empfangssignal führen.
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Die Lage des Brennfleckes auf der Oberfläche der Luneberg-Linse ist
abhängig von dem Einfallswinkel. Die Größe dieses Brennfleckes wird dagegen von
der Frequenz der einfallenden Wellen bestimmt. Da die Sensoren, hier die als Dipole
wirkenden Dioden, in ihrer Ausdehnung maximal einem Viertel der kürzesten einfallenden
Wellenlänge entsprechen sollen, werden bei relativ hoher Frequenz der einfallenden
Wellen nur eine oder wenige, bei längeren Wellen dagegen mehrere
Dipole
bzw. Dioden angeregt, womit eine sehr große Empfangsbandbreite gewährleistet ist.
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Die untere Empfangsfrequenz bestimmt den Mindestdurchmesser der Kugel-
oder Luneberg-Linse. Das Richtungs-Auflösevermögen sowie die Empfindlichkeit des
Empfangssystems ist ebenfalls - unter anderem - von dem Kugeldurchmesser abhängig.
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Die obere Frequenzgrenze wird im wesentlichen durch die Länge der
Diodenanschlußdrähte bestimmt, da die Linse selbst durch verbesserte Herstellungsverfahren
bis in den Millimeterwellenbereich verwendbar bleibt. Mit einem Linsendurchmesser
von 90 cm läßt sich ein Empfangssystem verwirklichen, dessen Empfangsbandbreite
etwa von 1 GHz bis 40 GIIz und mehr -entsprechend den verwendeten Sensoren - reicht.
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Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip läßt sich also ein Empfangssystem
aufbauen, das in Ergänzung der auf bekannte Art erreichbaren Sofort-Frequenzbestimmung
eine Sofort-Richtungsbestimmung ermöglicht.
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Das beschriebene Empfangssystem nach vorliegender Erfindung empfängt
mit einem Antennengewinn, der dem Gewinn eines Parabolspiegels entspricht, dessen
Paraboldurchmesser
etwa dem Kugeldurchmesser der Luneberg-Linse
gleicht. Zu jeder um den Kugeläquator herum angebrachten Empfangseinheit gehört
eine feststehende Antennenkeule.
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Die benachbarten Keulen überlappen sich gegenseitig, so daß der volle
Azimut-Winkel von 3600 gleichzeitig erfaßt wird, ohne daß dadurch das Richtungsauflösevermögen
verringert würde.
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Die Auffaßwahrscheinlichkeit und Richtungsbestimmung eines Kurzzeitsignals
beträgt also 100 ,, auch wenn dieses Signal nur ein einziges Mal ausgesendet wird.
Bei Verwendung einer einzelnen rotierenden Parabolantenne, wie dies bei den üblichen
bekannten Systemen vorgesehen ist, verringert sich die Auffaßzeit im Verhältnis
der Keulenbreite zum vollen Winkel. Die Richtungsbestimmung eines nicht periodischen
Kurzzeitsignals ist daher nahezu unmöglich.
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Wollte man in herkömmlicher Technik ein Empfangssystem gleicher Bandbreite
aufbauen, das mit der genannten Ausführungsart der Erfindung, bei der der Kugeldurchmesser
90 cm beträgt, vergleichbar wäre, müßte man ca. 180 Parabolspiegel in einem Kreis
mit 50 m Durchmesser aufstellen. Hieraus geht der außerordentlich hohe technische
Fortschritt hervor, der mit dem erfindungsgemäßen Empfangssystem verbunden ist.