DE2316910A1

DE2316910A1 - Antennenreihe mit winkelfilter

Info

Publication number: DE2316910A1
Application number: DE2316910A
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1972-04-06
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1973-10-18
Also published as: ES413427A1; JPS4910694A; JPS5144399B2; FR2179150A1; AU5413873A; CA1005892A; BE797837A; US3737908A; GB1424693A

Description

Dipl.Phys.Leo Thul

Patentanwalt

Stuttgart

J.T.Nemit-1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Antennenreihe mit Winkelfilter

Die Erfindung betrifft eine Antennenreihe, die aus einer Anzahl gleicher in gleichem Abstand angeordneter Einzelstrahler besteht, die nacheinander in zyklischer Reihenfolge mit einem Sender oder einem Empfänger verbunden werden, insbesondere für Dopplerfunknavigationssysteme.

Eine derartige Antennenreihe wird in der USA-Patentschrift 3 626419 beschrieben. Dort bewegt sich eine Frequenzquelle der Frequenz f_o längs einer geraden Wegstrecke mit der Geschwindigkeit ν . Das unter einem Winkel Φ in einer entfernten Station empfangene Signal g (<&jt) setzt sich aus zwei Anteilen zusammen und zwar aus dem direkten Signal mit der Frequenz f-, und dem reflektierten Signal mit der Frequenz f . Bei Benutzung der oben erwähnten Anordnung zur Elevationsbestimmung bewirkt die Reflexion am Boden den Hauptfehler. Das Signal g (<&,t) läßt sich folgendermaßen schreiben:

g^,t)=A(t){exp i(2ir.f_dt) + Γ* expi(2ii.f_rt + φ)} (1) Dabei ist:

^fd^=fo⁽¹⁺ τ^{sin φ) und} W¹' ?^{sin φ)}

Dr.Gb/Scho

2.11.1973

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J.T.Nemit-l ' ' - '.

•c = Lichtgeschwindigkeit'
A(t) = Amplitude des abgestrahlten Signals ' = Reflexionskoeffizient

ψ = Phasenverschiebung, die aus der Weglängendifferenz und der Reflexion entsteht.

Aus den Gleichungen ist ersichtlich, daß in der entfernten Station eine Dopplerverschiebung gegen die Frequenz f gemessen wird, Befindet sich die entfernte Station oberhalb der vertikal angeordneten Antennenreihe zur Elevationsbestimmung und bewegt sich die Signalquelle vom Boden fort, ist die Dopplerverschiebung des direkten Signals positiv und die des reflektierten Signals negativ, da es unter einem negativen Winkel von der Antenne abgestrahlt wird. Aus der Messung der Dopplerverschiebung kann man in der entfernten Station die Elevation gegen die Antennenreihe bestimmen. Bei den bekannten Anordnungen wird ein Referenzsignal von einer festen Antenne abgestrahlt, so daß das Hochfrequenzband, in dem die Signale abgestrahlt werden, durch Mischung in ein Niederfrequenzband im Empfänger umgeformt werden kann.

Es sind Einrichtungen bekannt, um die Störungen durch die Reflexionen der Signale am Boden zu vermeiden. Dabei werden vornehmlich die verschiedenen Dopplerfrequenzverschiebungen im direkten und im reflektierten Signal ausgenutzt. Man verwendet zum Beispiel im Empfänger der entfernten Station ein Filter, das bei einer Frequenz _s die einer Elevation von 0° entspricht, abschneidet. Es treten dabei zwei Probleme auf:

1. wird bei kleiner Elevation ein Teil des Spektrums des direkten Signals abgeschnitten und es wird das reflektierte Signal nur teilweise herausgefiltert',

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2. wird bei ansteigendem Boden in der Umgebung der Antennenreihe das reflektierte Signal nur ungenügend ausgefiltert.

Die Aufgabe, diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor der Antennenreihe ein Filter angeordnet ist, das nur diejenigen Signale durchläßt, die aus einem bestimmten Winkelbereich kommen.

Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Es zeigen:

Fig.l ein direktes und ein reflektiertes Signal einer Antennenreihe ;

Fig.2 ein direktes und ein reflektiertes Signal, aufgetragen über der Zeit;

Fig.2b Frequenzspektren für die Signale nach Fig.2a;

Fig.3a Parameter, die für das Winkelfilter nach der Erfindung wiehtig sind;

Fig.3b die Charakteristik eines idealisierten Winkelfilters;

Fig.4 eine Antennenreihe nach Fig.l zusammen mit einem Winkelfilter nach Fig.3a;

Fig.5a einen Horizontalschnitt durch ein Winkelfilter in einer Ausführungsform;

Fig.5b die Komponente des elektrischen Feldes eines Signals und Koordinatenachsen bei einem Vertikalschnitt des Winkelfilters;

Fig.5c Ersatzschaltbild des Winkelfilters nach Fig.5a;

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Fig.6a ein Winkelfilter, das ein Gitter aus Metallstreifen enthält;

Fig.6b Ersatzschaltbild eines Winkelfilters nach Fig.6a;

Fig.7 ein Winkelfilter, geschnitten längs der Ebene A-A nach Fig.4, bei dem das Gitter aus Metallstreifen zwischen den parallelen Platten angeordnet ist.

Figol zeigt eine Antennenreihe zur Elevationsbestimmung. Längs der Antenne sind mehrere Sender angebracht₉ die kommutierend , betrieben werden, so daß die Bewegung eines Senders der Frequenz f mit der Geschwindigkeit ν simuliert wird» Um in einer entfernten Station eine Dopplerversch-iebung feststellen zu können, wird von der Antenne zusätzlich ein Referenzsignal ausgesendet.

In dieser entfernten Station wird dann ein Signal mit einer Frequenz empfangen, die durch diese simulierte Bewegung eine Doppler-Verschiebung gegenüber der Sendefrequenz f aufweist» Der Winkel zviisehen dem abgestrahlten Signal und der Normale auf eier Antenne wird mit Φ bezeichnet und zwar mit +®_s wenn das abgestrahlte Signal einen positiven Winkel mit der Horizontalen und mit -Φ₉ wenn es einen negativen Winkel mit der Horizontalen einschließt« Die überlagerung des direkten und des reflektierten Signals beim Empfang in der entfernten Station wurde weiter oben in Gleichung beschrieben. Nimmt man an, daß die Frequenzcplle sich in Richtung des Pfeils in der Figol bewegt_s so stellt man in einer Station, die sich oberhalb der Antennennormale befindet₉ eine positive Dopplerverschiebung fest, wenn man das direkte Signal empfängt, und eine negative Dopplerverschiebung_s wenn man das reflektierte Signal empfängt. .

Fig.2a zeigt in übertriebener Weise den Frequenzunterschied zwischen dem direkten und dem reflektierten Signal_s wie er in der entfernten Station gefunden wird, Figo2b zeigt die Frequenzspektren des direkten und des reflektierten Signals ₉ wie sie entspre-

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dem Stand der Technik aussehen.

Fig.3a zeigt ein vereinfachtes Winkelfilter nach der Erfindung, in die die verwendeten Bezeichnungen eingetragen sind. Fig.3b zeigt die Eigenschaften eines idealisierten Filters, insbesondere die positiven und negativen Winkel, bei denen das Filter abschneidet .

Zur Vereinfachung der Beschreibung und der Zeichnungen wird angenommen, daß das Winkelfilter und die Antenne im Empfangsbetrieb arbeiten. Wie die meisten ist aber auch dieses Antennensystem voll reziprok.

Es wird angenommen, daß das Filter in Fig.3a in Y-Riohtung gleichförmig gebaut ist. Eine einfallende Welle wird zum Teil reflektiert und geht zum Teil hindurch. Der Betrag der Amplitude der durchgehenden Welle ist abhängig von Winkel und Frequenz der einfallenden Welle. Diese Abhängigkeit wird durch die Funktion Τ(Φ,ΐ) beschrieben (Durchlassfunktion). Wegen der Gleichförmigkeit der Filterstruktur in der Y-Richtung ist die Durchlassfunktion symmetrisch in Φ.

In Fig.4 wird eine Antennenreihe 10 mit einem Winkelfilter 12 nach der Erfindung gezeigt. Φ bezeichnet den Abschneidewinkel

des Filters. Das Filter ist ungefähr um den Winkel Φ_ geneigt, so daß das Durchlassgebiet des Filters den für einen Flugzeugleitstrahl notwendigen Bereich überdeckt. Aus den Bezeichnungen in der Fig.4 ist ersichtlich, daß ein Signal, das unter dem Winkel Φ gegen die Horizontale ankommt, das Filter passiert, wenn gilt:

Φ - Φ

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Ein Signal, das auf dem Boden reflektiert wird und unter dem Winkel -Φ gegen die Horizontale ankommt, wird nicht durch das Filter gelassen, da

Ι-Φ-Φ >

el

Es können also keine Signale empfangen werden₉ die vom gleichen Sender ausgehen₉ aber verschiedene Weglängen zurückgelegt haben.

Das Filter ist in einem Gehäuse aus parallelen Plattenpaaren 11 angebracht. Dadurch kann das Filter leichter gebaut werden- als es bei freitragender Bauweise möglich wäre»

Figο 5 zeigt die Einzelheiten eines Winkelfilters nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform und das Ersatzsehaltbild dieses Filters,, Die betrachtete AusbreitungsfoFm "ist vom H-Typ bezüglich der x~Riehtung« Die x-Komponente"des-elektrischen Feldes ist also Oc In Fig»5a werden die Parallelplatten mit 11a und 11b bezeichnet. Die eintreffende Welle kommt in der Zeichnung von links. Der Plattenabstand a wird so gewählt, daß die einfallende Welle sich ohn® Dämpfung ausbreiten kann,, a Üegt also zwischen einer halben und einer ganzen Wellenlänge, Durch die Verengung b im Querschnitt zwischen 13. und I¹J wird ein Filter gebildet» Mit 15 und 16 wird der stetige übergang zwischen, den Plattenpaaren mit dem Abstand a und dem Filter bezeichnete Der Plattenabstand b in der Verengung bestimmt für eine Welle mit der Wellenlänge A₅ den Abschneidewinkel Φ_η folgendermaßen?

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Es werden also Wellen, die unter einem Winkel einfallen, der kleiner ist als der kritische Winkel Φ_ΰ durchgelassen und Wellen, die unter einem Winkel einfallen, der größer ist als Φ reflek-

tiert.

Die Eigenschaften des Filters nach Fig.5a sind nahezu dieselben wie die in Fig.3b dargestellten. Der Übergang des Filters nach Fig.5a vom Durchlassbereich in den Sperrbereich ist allerdings stetig und nicht diskontinuierlich wie nach Fig.3b. In der Nähe des kritischen Winkels Φ ergibt sich die Dämpfung cl . der auffallenden Wellen wie folgt:

U=U_c + 6U

ϋ² 6U + 6U²i» pt ^

Dabei ist t ein Parameter, der von der geometrischen Form des Filters abhängt.

Für den Winkel, bei dem auftreffende Wellen um 8,6 Dezibel gedämpft werden, ergibt sich: ₉

Um die hohe Filterwirkung zu zeigen, die mit dem beschriebenen Filter möglich ist, wird das folgende Beispiel betrachtet: Mit Φ =± 10°, t=3X_Q ergibt sich:
6U=O.009 rad oder ^0,5°.

Bei diesem Beispiel wurde angenommen, daß das Winkelfilter eine unendliche Höhe hat. Bei einem Filter endlicher Höhe wird die Flankensteilheit nur bis zu einem gewissen Maximalwert von dem

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Parameter t bestimmt. Oberhalb dieses Maximalwertes bestimmt die endliche Höhe die Plankensteilheit.

Der in Pig.5e gezeichnete Ersatzschaltkreis wird mathematisch am besten mit den Parametern aus der Fig.5a wie folgt beschrieben:

Es gilt:	Ϋ =	= ^ko	<-	k² X
dabei ist k O ^kx^{s k}y> ^kz*	= k_os _ 2jr	■_k
Mit k²	sich:	der B	etr
^ky ^ko	_ π	- ^kx-	^ky
ergibt	ίηΦ
k
ίθ

xa

^kxb	Il Il	π b k² - ^KO	(g)²
		ρ k cos O
^kzb	■li	f. 2 k cos O	²φ-(\|)²

Ir ^- Ir·

za ο

In Fig.6 ist ein vereinfachtes Winkelfilter gezeichnet,, das aus einem Gitter metallischer Streifen besteht« Die metallischen Streifen sind nach Fig.6a in Reihen angeordnet,, die Abstände l,_s Ip 1, von einer halben Wellenlänge haben. Fig.6b ist der Ersatzschaltkreis zu ^:dem Filter nach Fig.6a» Die von S.B.Cohn_s in der Abhandlung 'birect Coupled Resonator Filters" in Proeeedings of the IRE_S Band 45_S Seite 187-196 (Februar 1957) entwickelte Theorie kann angewendet werden, um die Parameter des Ersatzschaltbildes zu bestimmen.

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Es ergibt sich:

k = (f¹) cos Φ = ( —)f cos Φ

ZA C

dabei ist:

f = Bandmittenfrequenz

Φ = 0 Bandraittenwinkel

Es gilt daher:
Τ(Φ,Γ) =

Pig.7 zeigt eine dritte Ausführungsform des Winkelfilters, die kompakter ist als die nach Fig.6a. Es ist der Querschnitt des Winkelfilters längs der Ebene A-A in Fig. H gezeichnet. Bei dieser Ausführungsform werden ähnlich wie bei Fig.5a parallele Plattenpaare verwendet. Der Plattenpaarabstand wird dabei wie bei Fig.5a innerhalb der Grenzen

1 < a < 1

2 λ

gewählt. Die physikalischen Parameter können ähnlich wie für die Anordnung nach Fig.6a bestimmt werden.

7 Patentansprüche
2 Blatt Zeichnungen

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Claims

• 1 Π—

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Patentansprüche

Antennenreihe, bestehend aus einer Anzahl gleicher in gleichem Abstand angeordneter Einzelstrahler, die nacheinander in zyklischer Reihenfolge mit einem Sender oder einem Emfpänger verbunden werden, insbesondere für Dopplerfunknavigationssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Antennenreihe ein Filter (12) angeordnet ist, das nur diejenigen Signale durchläßt, die aus einem bestimmten Winkelbereich kommen.

2· Antennenreihe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (12) passiv ist und daß es gegen die Vertikale geneigt ist₃ so daß die Mitte des Winkelbereiches, in dem ankommende Signale durchgelassen werden, um einen bestimmten Winkel gegen die Horizontale geneigt ist.

3· Antennenreihe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (12) zwei nahezu senkrecht aufgestellte, parallel angeordnete Platten(ll) aufweist, deren der Antennenreihe 10 zugewandtes Kantenpaar bei Sendebetrieb als EingangsÖffnung und deren der Antennenreihe (10) abgewandtes Kantenpaar als Austrittsöffnung für die Signale dienen, bzw. umgekehrt bei Empfahgsbetrieb.

l\. Antennenreihe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenpaar (11) einen Abstand a voneinander hat, der zwischen einer ganzen und einer halben Wellenlänge liegt.

5· Antennenreihe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenpaar (Ik) in horizontaler Richtung eine Verengung mit stetigen Übergängen aufweist.

6. Antennenreihe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Verengung sowohl von der Eintritts- als auch von der Austrittsseite her allmählich zunimmt.

7. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter(12) zusätzlich ein Gitter metallischer Streifen enthält, die zwischen den Platten (11) symmetrisch angeordnet sind.

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