DE2335792A1

DE2335792A1 - Funknavigations-, insbesondere landesystem

Info

Publication number: DE2335792A1
Application number: DE19732335792
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Thomas Nemit
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1972-07-17
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1974-01-31
Also published as: US3775773A; AU5816773A; ES416978A1; GB1434986A; FR2193268A1; JPS4960155A

Description

933 5792

Dipl.-Phys.Leo Thul >^JOv) ' ° *·

Patentanwalt
Stuttgart-30
Kurze Straße 8

J.T.Nemit-3

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Punknavigations-, insbesondere Landesystem.

Die Erfindung betrifft ein Punknavigations-, insbesondere Landesystem, bei dem die Bodenantenne eine Antennenzeile aufweist und vor der Antennenzeile eine Anordnung vorgesehen ist, die bewirkt, daß im Bordempfänger der Azimut unabhängig von der Elevation meßbar ist.

Es sind mindestens zwei grundsätzlich verschiedene Punknavigationssysteme mit einer Antennenzeile bekannt, nämlich Dopplerfunknavigationssysteme und Punknavigationssysteme, bei denen eine Strahlschwenkung durch Frequenz- oder Phasenänderung erfolgt. Dopplerfunknavigationssysteme sind zum Beispiel aus der DT-OS 19 46 108 und der DT-OS 20 04 811 bekannt. Punknavigationssysteme, bei denen eine Strahlschwenkung durch Frequenz- ' oder Phasenänderung erfolgt, sind zum Beispiel in "Radar Handbook" von M.Skolnik, McGraw-Hill Verlag 1970, im 11.Kapitel

Dr.Gb/Scho
12.JuIi 1973

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beschrieben.

Diese bekannten Systeme liefern konische Navigationsinformationen, d.h. die Richtungsinformation ist auf Kegelfläehen konstant. Es ist aber wünschenswert, daß die Richtungsinformation bei der Azimutmessung auf vertikalen Ebenen konstant ist, damit im Bordempfänger der Azimut unabhängig von der Elevation meßbar ist. Eine Lösung dieser Aufgabe ist aus der DT-OS 21 50 659 bekannt. Die Herstellung einer dabei verwendeten Luneberg-Linse ist kostspielig und schwierig.

Aufgabe

Es ist daher Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung eine Anordnung anzugeben, mit der bei den genannten Navigationssystemen eine Richtungsinformation zur Azimutmessung erzeugt wird, die auf vertikalen Ebenen konstant ist und die einfacher herzustellen ist als eine Luneberg-Linse.

Weiterbildungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:

Fig.l die prinzipielle Arbeitsweise der Bodenstation eines Dopplernavigationssystems;

Pig.2 den Zusammenhang zwischen Ebenen- und Kegelkoordinaten; Pig.3 einen Hohlleiter für eine Doppierantenne; Pig.4a die Aufsicht auf einen Hohlleiter nach Pig.3;

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Pig.4b die Sehrägsicht eines Hohlleiters nach Pig.3;

Pig.4c eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlleiters, bei dem ein Reflektor verwendet wird;

Fig.4d eine mögliche Ankopplungsart des Hohlleiters an die Antennenzeile;

Fig.4e die Antennenzeile, gebildet aus vertikalen Schlitzen in der Rückwand des Hohlleiters;

Fig.4f die Antennenzeile, gebildet aus horizontalen Schlitzen in der Rückwand des Hohlleiters;

Fig.5 einen Hohlleiter für eine phasengesteuerte Antenne.

Pig.l zeigt die Antennenzeile eines bekannten Dopplernavigationssystems zur Azimutbestimmung, in die ein kartesisches Koordinatensystem gelegt ist. L ist die Länge der Antennenzeile, ν ist die Geschwindigkeit der bewegten Strahlungsquelle. Die Bewegung kann simuliert sein, φ ist der Azimut. Bei einer derartigen Anordnung sind die Dopplerfrequenzverschiebungen auf eine Kegeloberfläche konstant.

Fig.2 zeigt den Zusammenhang zwischen Kegelkoordinaten und Ebenenkoordinaten bei einem kartesischen Koordinatensystem nach Fig.l.

Zunächst wird gezeigt, daß die Strahlung einer periodisch bewegten Strahlungsquelle der Frequenz f_Q durch die überlagerung von ebenen Wellen dargestellt werden kann. Die ebenen Wellen haben unterschiedliche Frequenzen und pflanzen sich in verschiedenen Richtungen fort. Die Strahlung g(<|>,t), wie sie

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in einem Punkt P unter dem Azimut φ zur Zeit t aufgenommen wird, läßt sich mathematisch folgendermaßen darstellen:

. , 2 gU,t) = e^JÜ)o^r / A(x) I δ (x-v t-mL)e^{J ux}dx

■ -L 2

^ωο	O
U	= K εΐηφ
t	L V X
^Ko	2ττ " ^λο

⁰⁰ oo η2π, , ·,

1 δ (x-v_xt-mL) = I e"^J "L"^U"^vx^t; in=—oo n⁼—°°

2irn s, °° . η2ττ _v

— ^}t / A(x)e"^J T"^X e^{J ux}dx

Mit dem letzten Ausdruck ist die Strahlung im Punkt P in eine Summe zerlegt aus Strahlen, von denen jeder aus einer bestimmten Richtung mit einer bestimmten Frequenz kommt. Jeder Strahl geht aus einer bestimmten Erregung S_n(_x) der Antennareile mit einer bestimmten Frequenz hervor.

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Dabei ergibt sich die gesamte Erregung S(x) der Antennenzeile zu

S(x) = I S (x,t) _n=-oo

3 (^ωθ ⁺ rn" ) ~3 ~~T~

• mit S_n(X,t) = e ^L A(x)e ^L

Die Zerlegung der Erregung S(x) in orthogonale Komponenten erleichtert die Erklärung der Antennenanordnung nach Fig.3, bei der die Doppler-VerSchiebungen in einer Ebene konstant sind. Die Anordnung nach Fig.3 setzt sich aus einer bekannten Doppler-Antenne zur Azimutbestimmung 1 und einem parallelen Plattenpaar 2 zusammen. Die parallelen Platten sind halbkreisförmig mit dem Radius R_Q und bilden an ihrer kreisförmigen Begrenzung eine l80°-öffnung. An seiner geradlinigen Begrenzung wird der durch die parallelen Platten gebildete Hohlleiter durch die Dopplerantenne 1 gespeist. Längs dieser geradlinigen Begrenzung bewegt sich also periodisch eine Strahlungsquelle. Der Abstand der Platten ist durch die gewünschte Polarisation und Frequenz der Strahlung bestimmt. Ein Plattenabstand kleiner als eine halbe Wellenlänge ist für vertikale Polarisation im Raum, ein Plattenabstand zwischen einer halben und einer ganzen Wellenlänge für horizontale Polarisation im Raum geeignet. Obgleich es möglich ist, den Plattenabstand außerhalb dieser Begrenzungen zu wählen, wird es z.B. bei Plattenabständen, die sehr viel kleiner als 1/4-Wellenlänge sind, schwierig, das Ankopplungsproblem zwischen Antennenzeile 1 und Parallelplattenpaar 2 zu lösen.

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Als nächstes wird die Erregung S (_x) dieser Anordnung bei einer Frequenz f = f + ^ bestimmt. Dazu ist es nötig, zunächst die Erregung längs der halbkreisförmigen Öffnung der parallelen Platten zu bestimmen. Da die Öffnung groß ist verglichen mit der Wellenlänge kann dazu eine Näherung innerhalb der geometrischen Optik angewendet werden. Die Strahlen 3 und 4, die von den Enden der Antennenzeile 1 ausgehen, begrenzen den Strahl in einer bestimmten Richtung φ . Zu dem Strahl in Richtung φ trägt nur derjenige Teil des Kreisbogens der parallelen Platten bei, der durch die Strahlen 3 und 4 aus dem Kreisbogen herausgeschnitten wird. Die Erregung längs dieses Kreisbogenabschnitts ist gegeben durch:

A {— , είηίφ -φ )} e ^J ο ο

Dabei ist φ der Winkel zwischen einem Radius des Halbkreises und der Z-Richtung. Das Zentrum der Erregung liegt 'bei

Entscheidend ist, daß die Erregung sich längs der Kreisbogenförmigen Öffnung synchron mit der Strahlrichtung bewegt. Das gleiche Resultat erhält man bei einer Antenne, die sich mechanisch um eine feste Achse dreht und bei der die Richtungsinformation auf einer Ebene konstant ist.

Charakteristisch für die Antennenanordnung nach Fig. 3 ist es, daß die Strahlbreite mit wachsendem φ größer wird und die Strahlung in Elevationsrichtung, also in Richtungen senkrecht zu den parallelen Plattenpaaren defokussiert ist. Die Verbreitung des Strahls beruht auf der Vergrößerung der effektiven Öffnung mit zunehmendem Winkel Φ_η· Diese Defokussion wird durch die Krümmung der kreisbogenförmigen Öffnung

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hervorgerufen und kann daher verringert werden, wenn man den Radius R_Q der Plattenpaare möglichst groß wählt. Durch eine leichte Defokussion der Strahlung der Antennenzeile 1 oder durch eine besondere Form der Plattenpaare längs der Öffnung kann man ebenfalls die Defokussion in Elevationsrichtung vermindern. Eine Form mit der das erreicht werden kann, zeigen die Fig.4a, 4b, 4c, 4d_a 4e und 4f. In Fig.4a ist die Antennenanordnung in Aufsicht, in 4b in Schrägsicht und Fig.4c im Querschnitt dargestellt. 2 ist die obere und 5 die untere Platte .-des parallelen Pl-attenpaars. Zur Öffnung hin haben die Plattenpaare 2 und Ränder 2· und 5'₅ die sich nach außen wölben. Die Öffnung hat also einen hornförmigen Querschnitt. Die ganze Öffnung kann durch einen Radom geschützt werden.

Fig.4c zeigt eine Weiterbildung der Antennenanordnung nach Fig.4a und 4b. Die Antennenanordnung nach Fig.4c entsteht aus der Antennenanordnung nach Fig.4a und 4b, wenn man das parallele Plattenpaar kurz vor seiner hornförmigen Erweiterung um einen Winkel_s der größer als 90° ist, in Richtung zur Erdoberfläche umbiegt. Der gebogene Teil der oberen Platte wird mit 2'¹ und der der unteren Platte mit 5'' bezeichnet. Durch diese Biegung entsteht ein nach unten gerichtetes Horn, das einen Azimutbereich von l80° überdeckt. Das Horn strahlt einen Reflektor 6 an. Der Reflektor 6 ist in Ebenen parallel zu den Platten 2 und 5 halbkreisförmig. Der Radius der Halbkreise wird mit zunehmendem Abstand von den Plattenpaaren größer.

In einer Schnittebene, die durch die Mittelpunkte .der halbkreisförmigen Platten 2 und 5 geht und senkrecht zu diesen Platten liegt, hat der Reflektor 6 ein sich nach außen erweiterndes Profil. Dieses Profil kann z.B. von parabolischer Form sein. Eine Hochfrequenzquelle 20 ist über ein Antennenschaltgerät 21 mit dem Eingang 7 der Antennenzeile 1 in be-

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kannter Weise verbunden. Eine Antennenanordnung nach Fig.4a wird in gleicher Weise betrieben. Bei einer Anordnung nach Fig.4c wird mit zunehmendem Azimut die Strahlung in dieser Azimutrichtung breiter. Die Defokussion in Elevationsrichtung ist gegenüber einer Anordnung, die nur aus 2 parallelen kreisförmigen Plattenpaaren besteht, beträchtlich vermindert.

In Fig.4d ist dargestellt, wie der Hohlleiter aus parallelen Platten 2 und 5 durch Sonden, die die Antennenzeile bilden, von denen hier eine Sonde 15 gezeichnet ist, die durch eine Koaxialleitung 14 gespeist wird, angeregt wird. Der Hohlleiter muß in diesem Fall mit einer Rückwand 13 abgeschlossen sein. Die gebogenen Teile der Platten 2 und 5 sind wie in Fig.4a und 4b geformt, sie könnten aber auch nach Fig.4c geformt sein. Die Fig.4e und 4f zeigen Schlitze in der Rückwand des Hohlleiters 13, die als Strahler dienen. Die Schlitze 18 und 19 sind geeignet um. eine vertikal polarisierte Strahlung anzuregen, während die Schlitze 16 und 17 geeignet sind, um horizontal polarisierte Strahlung anzuregen.

In Fig.5 wird gezeigt, wie man die Erfindung auf eine Antenne anwenden kann, bei der die Strahlschwenkung durch elektronische Phasenverschiebung erzeugt wird. Die Strahler (8,9) können wie in Fig.4d_s 4e oder 4f geformt sein. Jeder dieser Strahler wird durch einen eigenen Phasenschieber (10,11) gespeist. Eine Verteilungsschaltung 12 speist die Hochfrequenzeingänge dieser steuerbaren Phasenschieber gleichförmig. Mit Hilfe des Duplexers 22 kann diese Anordnung mit der Hochfrequenzquelle 23 als Sender und mit der Empfangsschaltung 24 als Empfänger betrieben werden. Eine derartige Anordnung wird hier nicht näher beschrieben, da sie z.B. ausJ'Radar Handbook" von M.Skolnik, McGraw-Hill Verlag 1970 bekannt ist.

6 Patentansprüche

2 Bl.Zeichnungen 309885/1115

Claims

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Patentansprüche

1* Funknavigation-, insbesondere Landesystem, bei dem die Bodenantenne eine Antennenzeile aufweist und vor der Antennenzeile eine Anordnung vorgesehen ist, die bewirkt, daß im Bordempfänger der Azimut unabhängig von der Elevation meßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Antennmseile zwei horizontale, gleichförmige, leitende Platten (2,5) angeordnet sind, die an ihrer einen Kante geradlinig und an der gegenüberliegenden Kante kreisbogenförmig sind, die mit ihren geradlinigen Kanten der Antennenzeile zugekehrt sind, derart, daß der durch die Platten gebildete Hohlleiter an seiner der Antennenzeile zugekehrten Seite durch die Einzelstrahler der Antennenzeile zu elektrischen Schwingungen angeregt wird, die an der gegenüberliegenden Seite des Hohlleiters abgestrahlt werden.

2· Punknavigationssystem nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Kanten einen Durchmesser der kreisbogenförmigen Kanten der Platten (2,5) bilden und daß direkt an den geradlinigen Kanten die Einzelstrahler angebracht sind.

3· Punknavigationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisbogenförmigen Kanten der Platten (2,5) einen Kreisbogen von 180 bilden,

**· Punknavigationssystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2,5) an ihren kreisbogenförmigen Kanten au einer hornartigen Erweiterung (2¹, 5') aufgebogen sind, die die Breite der ganzen kreisbogenförmigen Plattenkanten hat.

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5· Punknavigationssystem nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2,5) vor der hornartigen Erweiterung um einen Winkel größer als 90° zur Erdoberfläche hin umgebogen sind, daß die hornartige Erweiterung einen Reflektor 6 anstrahlt, der in einem Horizontalschnitt ein kreisbogenförmiges Profil hat, wobei der Radius dieses Kreisbogens mit zunehmendem Abstand der Schnittebene von der Erdoberfläche kleiner wird.

6. Funknavigationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Platten (2,5) vor der hornförmigen Erweiterung bei einem Betrieb mit vertikal polarisierter Strahlung kleiner als eine halbe Wellenlänge ist und bei einem Betrieb mit horizontal polarisierter Strahlung zwischen einer halben und einer ganzen Wellenlänge liegt.

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