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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Flughafenradare
für kleine
Flughäfen
oder solche mit Teilzeitbetrieb umfassen einen Höhenradar, der Flugzeuge beim
Anflug an die Landebahn oder beim Verlassen dieser detektiert. Der
Radar umfasst eine lineare Anordnung von Sende-Empfangs(TR-) Einheiten,
die die Phase eines Eingangssignals ändert, dieses verstärkt und
das verstärkte Signal
an ein Radarhorn übermittelt.
Die Phasen der TR-Einheit werden genauestens geregelt, um ein schmales
Strahlenbündel
zu erzeugen, wobei einige Radare zur Steuerung des Strahlenbündels (z.B. zum
Ausrichten desselben in unterschiedliche Winkel) fähig ist.
Der korrekte Betrieb der TR-Einheiten wurde bisher durch Positionieren
einer Sonde vor dem Radar und Bewegen dieser entlang der Länge des
Horns nachgewiesen, um so zu versuchen, den korrekten oder nicht
korrekten Betrieb der TR-Einheiten nachzuweisen. Dies war jedoch
zeitaufwendig und nur mäßig präzise. Ein
Radarsystem, das eine schnelle und präzise Bewertung einer jeden
TR-Einheit zulässt,
um zu bestimmen, ob diese korrekt verstärkt und die Phase wie geplant ändert, wäre von großem Wert.
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Das
U.S.-Patent Nr. 5.337.059 offenbart ein Gerät und ein Verfahren zur Bestimmung
einer Aperturflächenausleuchtung
einer phasengesteuerten Gruppenantenne. Das Gerät und das Verfahren bewerten
ein von einem ersten Ausgangssignal des Überwachungswellenleiters erhaltenes Überwachungssignal.
Um Informationen aus einem Teil des Überwachungssignals zu erhalten,
der zumindest einer Periode des Fernfeldmusters der Antenne entspricht,
werden Teile des Überwachungssignals,
die bei verschiedenen Überwachungswinkeln
sichtbar sind, kombiniert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Radarsystem bereitgestellt, das
eine einfache und schnelle Kalibrierung mit einer relativ einfachen
Konstruktionsweise ermöglicht.
Das Radarsystem umfasst eine lange Extrusion, die zwei Wellenleiter
und die Basis eines Hornstrahlers umfasst. TR-(Sende-Empfangs-)
Einheiten sind am Wellenleiter angebracht, wobei jede Einheit über eine Eingangs sonde,
die mit einem Eingangswellenleiter der Extrusion gekoppelt ist,
und über
einen Monopol, der in die Basis des Hornstrahlers hinein vorsteht, verfügt. Ein
zweiter der Extrusionswellenleiter ist ein Kalibrierungswellenleiter,
der an zahlreichen Stellen mit dem Hornstrahler gekoppelt ist. Ein
Messfühler am
Ende des Kalibrierungswellenleiters detektiert darin gegenwärtige Mikrowellen.
Um das System zu kalibrieren wird ein kohärentes Signal in den Eingangswellenleiter
eingespeist, und nacheinander werden die einzelnen TR-Einheiten
mit Energie beaufschlagt, wobei ihre Phasenverschiebung geregelt ist,
sodass im Hornstrahler Mikrowellen erzeugt werden. Das Ausgangssignal
des Messfühlers
am Ende des Kalibrierungswellenleiters wird detektiert. Das Ausgangssignal
des Messfühlers
gibt an, ob die bestimmte mit Energie beaufschlagte TR-Einheit ausreichend
Mikrowellenleistung erzeugt oder nicht. Das Ausgangssignal des Messfühlers wird
mit dem an den Eingangswellenleiter übermittelten Signal verglichen,
und der Phasenschieber der mit Energie beaufschlagten TR-Einheit
wird geregelt, um zu gewährleisten,
dass die gewünschte
Phasenverschiebung an dieser Einheit erzeugt wird.
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In
einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Radarsystem gemäß Anspruch
1 bereit. In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zur Prüfung
eines Radarsystems nach Anspruch 9 bereit.
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Die
neuartigen Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen ausführlich dargelegt.
Durch die folgende Beschreibung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen
wird die Erfindung noch besser verständlich werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine isometrische Ansicht eines Radarsystems, das gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist.
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2 ist
eine teilweise explodierte isometrische Ansicht des Radarsystems
aus 1.
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3 ist
ein Querschnittsansicht der Höhenradarstruktur
aus 2.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Extrusion aus 3, die in gestrichelten Linien
eine mit dieser verbundene TR-Einheit zeigt.
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5 ist
eine Ansicht entlang der Linie 7-7 aus 4.
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6 ist
eine schematische Darstellung, welche zeigt, auf welche Weise eine
TR-Einheit kalibriert
wird.
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7 ist
eine schematische Darstellung, welche zeigt, auf welche Weise ein
Radarstrahlenbündel
gesteuert wird.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 veranschaulicht
ein Radarsystem 10, welches eine Höhenradaranordnung 12 und
eine Azimutradaranordnung 14 umfasst. Die Höhenradaranordnung 12 ist
im Allgemeinen stationär,
und ihr Radarstrahlenbündel 16 ist
im Allgemeinen auf eine einzige Landebahn ausgerichtet, um die die
Landebahn anfliegenden Flugzeuge zu lotsen. Die Azimutradaranordnung 14 dreht
sich im Allgemeinen kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von
beispielsweise einer Umdrehung pro Sekunde um eine vertikale Achse 20,
sodass ihr Radarstrahlenbündel 22 Flugzeuge detektieren
kann, die sich aus jeder beliebigen Richtung dem Flughafen nähern. Eine
Steuer- und Stromversorgungszentrale 24 steuert die Radaranordnungen.
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2 zeigt,
dass die Höhenradaranordnung 12 eine
vertikale, zentrale Kernsäule 30,
eine äußere vertikale
zylindrische Abdeckung 32 und Module 34, 36 umfasst,
die sich strahlenförmig
von der zentralen Kernsäule 30 zur
Abdeckung 32 erstrecken und an beiden dieser befestigt
sind. Das erste Modul 34 umfasst einen Hornstrahler 40 und
eine lineare Anordnung von TR-(Sende-Empfangs-) Einheiten 42,
wobei die gezeigte Anordnung hundertfünfzehn derartiger vertikal
entlang dem Horn beabstandeter Einheiten umfasst. Das zweite Modul 36 umfasst
Schnittstellenschaltungen oder Strom- und Schaltkreise 44, wobei
fünf derartiger
Schaltungen entlang einem Rahmen 46 des zweiten Moduls 36 beabstandet
angeordnet sind. Jede der Schaltungen 44 ist über Kabel 50 mit
dreiundzwanzig TR-Einheiten 42 verbunden.
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3 zeigt
einige Einzelheiten der Sende-Empfangs-Struktur des Höhenradars
der Höhenradaranordnung 12,
oder des ersten Moduls 34. Das Modul umfasst eine Metallextrusion 70 (Aluminium), die
die verschiedenen Radarkomponenten, einschließlich der TR-Einheiten 42 und
des Horns 40, trägt
und koppelt. Die Extrusion 70 wird am vertikalen, zentralen
Kern 30 durch eine Halterung 71, die ein Kupplungselement 72 und
ein Paar Bügel 74, 76 umfasst,
gehalten. Die Extrusion 70 ist zudem mit der äußeren zylindrischen
Abdeckung 32 über
ein Paar an Hornmittelteilen 80 aus extrudiertem Metall
und ein Paar geformter Hornverlängerungen 82 verbunden.
Es wird festgehalten, dass die zylindrische Abdeckung 32 in
erster Linie aus Blech besteht, jedoch auch ein Kunststoffradom 84 umfasst,
dass den raschen Durchtritt der Radarmikrowellen zulässt. 2 zeigt,
zeigt, dass die Extrusion 70 und das zumindest teilweise
durch die Extrusion gebildete Horn 40 in eine vertikale
Richtung V verlängert
sind, wobei das Horn in eine zweite Richtung 120 ausgerichtet
ist, die hauptsächlich
senkrecht zur vertikalen Richtung steht.
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4 zeigt
einige Details der Extrusion aus Metall (oder einem anderen elektrisch
leitfähigen
Material). Die Extrusion bildet einen Eingangswellenleiter 90,
einen Kalibrierungswellenleiter 92 und eine Hornbasis 94 aus.
Während
der Übertragung
wird ein Signal mit einer vorbestimmten Frequenz, wie beispielsweise
9,1 GHz, entlang dem Wellenleiter übermittelt, um eine Eingangssonde 100 einer
jeden der zahlreichen TR-Einheiten 42, die entlang der
Extrusion beabstandet angeordnet sind, zu erreichen. Jede TR-Einheit überträgt das von
ihrer Eingangssonde 100 erhaltene Signal an einen Phasenschieber 102, der
die Phase des Signals um einen geregelten Winkel verschiebt. Das
Ausgangssignal des Phasenschiebers 102 wird an einen Verstärker 104 übermittelt,
der das Signal verstärkt
und durch ein Filter 106 der Einheit an einen Strahler/Detektor 110 in
Form eines Mikrowellenstabs oder Monopols überträgt. Der Monopol 110 bildet
einen Mikrowellenausgang, der Mikrowellen an das Horn zur Bildung
eines Radarstrahlenbündels überträgt, und
dient gleichzeitig als Messfühler
zur Detektion der Radarreflexion. Der Monopol 110 steht
durch ein Hornenergiezufuhrloch 114 in das Horn hinein
vor. Die Mikrowellenenergie aller TR-Einheiten der Anordnung werden
kombiniert, um ein Radarbündel
zu bilden, das entlang dem Horn übertragen
wird. Jede TR-Einheit ist mit einer Netzleitung 110', über die
sie mit Strom, wie beispielsweise Gleichstrom mit 12 V, gespeist
wird, mit einer Phasenregelungsleitung 112, über die
sie Signale erhält,
die die Phasenverschiebung des Phasenschiebers 102 einstellen,
und mit einer Verstärkungssteuerleitung 116 verbunden.
Ein ähnlicher Vorgang
läuft beim
Empfang eines reflektierten Radarsignals ab, wobei das Signal von
den Monopolen 110 abgenommen wird, verstärkt und
die Phase verschoben wird und schließlich an den Eingangswellenleiter 90 überragen
wird.
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Vor
der Verwendung des Radarsystems sollte jede der Radaranordnungen
geprüft
werden. Ein Prüfung
bestünde
darin zu bestimmen, welche der TR-Einheiten, falls überhaupt,
nicht in etwa den erwarteten Leistungspegel an das Horn übermittelt.
In einem Beispiel ist jede TR-Einheit so konstruiert, dass sie in
etwa 4 Watt Leistung bei 9,1 GHz überträgt. Fällt das Ausgangssignal deutlich
unter diesen Pegel, so sollte diese TR-Einheit ausgetauscht werden.
Da aber diese lineare Anordnung hundertfünfzehn TR-Einheiten umfasst,
funktionierte der Radar auf befriedigende Weise, sofern nicht mehrere TR-Einheiten
kein Ausgangssignal erzeugen.
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Eine
weitere sinnvolle Prüfung
besteht darin, die von jeder TR-Einheit erzeugte tatsächliche
Phasenverschiebung zu bestimmen, wenn diese eingestellt ist, eine
vorbestimmte Phasenverschiebung zu erzeugen. 7 zeigt
eine lineare Anordnung von Monopolen 110. Sind die Ausgangssignale
aller Monopole phasengleich, so wird ein Strahlenbündel erzeugt,
das sich in eine senkrecht zur Länge
der Anordnung der Monopole stehende Richtung 120 bewegt.
Wird nun gewünscht,
das Bündel
so zu steuern, dass es in eine andere Richtung 122 ausgerichtet
ist, so wird dies durch Steuern der Ausgangssignale der Monopole 100 erzielt,
sodass ihre Ausgangssignale entlang einer senkrecht zur Richtung 122 des
Bündels
verlaufenden Linie 124 phasengleich sind. Dies setzt voraus,
dass Ausgangssignale aller TR-Einheiten genauestens geregelt sind.
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Mit
erneutem Bezug auf 4 kann festgestellt werden,
dass die Extrusion so konstruiert ist, dass Abnahmestellen in Form
von Überwachungslöchern 130 bereitgestellt
sind, die sich zwischen der Hornbasis 94 und dem Kalibrierungswellenleiter 92 erstrecken.
Dies ermöglicht
einem kleinen Teil der Leistung im Horn den Durchtritt durch den
Kalibrierungswellenleiter 92 zu einem einzelnen Messfühler 132,
der entlang dem Kalibrierungswellenleiter, beispielsweise an einem
Ende desselben, angeordnet ist. Wird eine einzelne TR-Einheit mit
Energie beaufschlagt oder eingeschaltet, ist das vom Messfühler 132 abgefühlte Signal
ein vorbestimmter Anteil des Ausgangssignals dieser TR-Einheit.
Das Signal vom Messfühler 132 zeigt
an, ob die TR-Einheit Leistung im ungefährer Nähe des erwarteten Pegels erzeugt oder
nicht. Die Ausgangssignale des Messfühlers 132 zeigt weiters
die Phase der vom Monopol 110 an das Horn übertragenen
Leistung an. Vor oder während
der Zeit, zu der die TR-Einheit ein Eingangssignal, das durch den
Eingangswellenleiter 90 übertragen wird, erhält, kann
ein über
die Phasenregelungsleitung 112 übermitteltes Signal angepasst
werden, um eine vorbestimmte erwartete Phasenverschiebung durch
den Phasenschieber 102 zu erzielen. Ob es nun tatsächlich zur
Phasenverschiebung kommt oder ob die Phasenverschiebung größer oder
kleiner als das erwartete Ausmaß ist
(dann muss das Regelungssignal zur Erzeugung der gewünschten
Verschiebung angepasst werden), kann durch die Überwachung des Ausgangssignals
des Messfühlers 132 ermittelt
werden.
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6 zeigt
eine Weise, auf die die von einer bestimmten TR-Einheit 42A erzeugte
Phasenverschiebung bestimmt werden kann. Eine Phasendifferenzschaltung 140 verfügt über einen
Eingang, der mit einem Messfühler 142 verbunden
ist, der ein durch den Wandler 148 an den Eingangswellenleiter 90 übermitteltes
Signal 144 detektiert. 6 zeigt
einen Oszillator 146 zur Erzeugung eines Eingangssignals
mit einer Frequenz von beispielsweise 9,1 GHz, obwohl auch andere
Mittel eingesetzt werden können.
Der Eingangssignal-Messfühler 142 detektiert
die Phase an einer bestimmten Stelle entlang dem Eingangswellenleiter 90 des
vom Schaltkreis 146 erzeugten Signals. Die Phase des Signals 144 variiert
zu jedem Zeitpunkt mit der jeweiligen Position entlang dem Wellenleiter 90,
und die Phasenverschiebung zwi schen dem Eingangsende 150 und
der Stelle der Eingangssonde 100A ist genauestens bekannt.
Auch wenn der Phasenschieber 102 der TR-Einheit 42A auf
Nullphasenverschiebung eingestellt ist, ist das Ausgangssignal an
ihrem Monopol 100A üblicherweise
nicht gleich null. Während
das Kalibrierungssignal 152 entlang dem Kalibrierungswellenleiter 92 wandert, ändert sich
die momentane Phase, und die Phasenverschiebung zwischen dem Monopol 110A und
dem Kalibrierungswellenleiter 132 ist bekannt.
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In
einem Beispiel für
ein von den Anmeldern konzipiertes System ist bekannt, dass wenn
der Phasenschieber 102 auf null eingestellt ist, es zu
einer Phasenverschiebung von 180° zwischen
der Sonde 100A und dem Monopol 110A bei 9,1 GHz
kommt. Wäre
also die Phasendifferenzschaltung zwischen der Sonde 100A und
dem Monopol 110A angeschlossen, so würde sie bei 9,1 GHz eine Verschiebung
von 180° registrieren.
Diese 180°-Verscheibung und
die anderen Phasenverschiebungen entlang den beiden Wellenleitern 90, 92 können berücksichtigt werden,
um die vom Phasenschieber 102 erzeugte Nettophasenverschiebung
zu bestimmen. Die Phase des Phasenschiebers 102 kann durch
eine Phasensteuerung 160 angepasst werden, bis die gewünschte Phasenverschiebung
erhalten ist. In diesem konzipierten System detektiert, wenn eine
zweite TR-Einheit 42B mit einem eine Nullverschiebung erzeugenden
Phasenschieber betrieben wird, die Phasendifferenzschaltung 140 beim
Betrieb mit 9,1 GHz eine Phasenverschiebung, die um 217,4° größer ist
als die der benachbarten TR-Einheit 42A (falls auch Nullverschiebung
eingestellt) ist.
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Vor
der Verwendung des Radarsystems kann jede der hunderfünfzehn TR-Einheiten
kalibriert werden, indem ein kontinuierliches Eingangssignal 144,
mit dem nacheinander jede TR-Einheit 42 gespeist wird,
entlang dem Eingangswellenleiter 90 ausgesandt und das
Ausgangssignal am Messfühler 132 detektiert
wird. Die Amplitude des Ausgangssignals wird von einem Schaltkreisabschnitt 162 detektiert,
und die Phase des Ausgangssignals wird vom Schaltkreis 140 detektiert,
während
die Phasenregelung 160 die Phase ändert. Dieser Kalibrierungsvorgang
kann für
jede der TR-Einheiten in der Anordnung wiederholt werden. Für jede Einheit,
bei der die erwartete Phasenverschiebung mit einem bestimmten Phasenregelungssignal
nicht erreicht wird, wird das Phasenregelungssignal so lange geändert, bis die
gewünschte
Phasenverschiebung erzielt ist, und das neue Phasenregelungssignal
wird für
die spätere Verwendung
bei der Steuerung des Radarstrahlenbündels notiert.
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Zuvor
wurde das Ausgangssignal des Radarsystems kalibriert, indem eine
Sonde vor dem Horn angeordnet und die Sonde zu einer genauen Position
relativ zu einer mit Energie beaufschlagten TR-Einheit bewegt wurde,
um die Amplitude und die Phase dieser TR-Einheit zu bestimmen. Die
Positionierung der Sonde relativ zu jedem Monopol der TR-Einheit
setzte die Verwendung einer langen, biegsamen, phasenstabilen Übertragungsleitung
für die
Verbindung der Sonde mit einem Messinstrument voraus. Derartige
Kabel sind jedoch schwierig zu erhalten. Auch war eine derartige
Kalibrierung nicht sehr präzise
und zeitaufwendig. Die Anordnung des Anmelders hingegen, die eine
Kalibrierung ohne bewegliche Sonde oder andere bewegliche Teile
ermöglicht,
erlaubt eine präzise
Kalibrierung und macht die Durchführung der Kalibrierung in einem
relativ kurzem Zeitraum möglich.
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5 zeigt,
dass Überwachungslöcher 130 entlang
der Länge
der Extrusion 70 mit einem Abstand A beabstandet angeordnet,
der der Beabstandung der Eingangslöcher 170, durch die
die Eingangssonden 100 vorstehen, und der Hornenergiezufuhrlöcher 114,
durch die die Monopole 100 vorstehen, entspricht. Der Abstand
A ist geringer als die Wellenlänge
der Radarsignale, wie beispielsweise etwa 80 % der Wellenlänge, um
so das Steuern des Strahlenbündels
ohne Bildung großer
Nebenkeulen zu ermöglichen.
Die Überwachungslöcher 130 umfassen
alternierende Überwachungslöcher 130A,
die zwischen zwei mit dem TR-Einheit-Abstand A voneinander beabstandeten
Löchern 130 liegen.
Die Extrusion 70 ist so hergestellt, dass sie Befestigungslöcher 174 für TR-Einheiten
(4) umfasst, an denen die TR-Einheiten befestigt werden. 4 ist
zu entnehmen, dass die Extrusion Nuten 176 umfasst, die Schrauben 178 aufnehmen,
welche die Mittelteile 80 des Horns halten. 3 zeigt,
dass die Hornverlängerungen 82 aus
Blech mit etwa 90°-Biegungen 180, 182 oder
Flanschen an ihren Enden zur Befestigung am Mittelteil 80 bzw.
an der äußeren zylindrischen Abdeckung 32 ausgebildet
sind. Dieselbe Extrusion und dasselbe Kalibrierungsverfahren können für die Azimutradaranordnung 14 eingesetzt
werden.
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In
dem vom Anmelder konzipierten Radarsystem wies die vertikale Extrusion 70 (2)
eine Länge
von etwa 10 Fuß auf
und trug hundertfünfzehn TR-Einheiten
mit einem Abstand S von 0,96 Zoll zueinander, was in etwa 75 % der
Freiraumwellenlänge bei
9,1 GHz entspricht. Das Radarstrahlenbündel 16 (1)
wies einen horizontalen Winkel 250 von 30° (wo sein
Ausgangssignal um mehr als 3 dB unter die zentrale Amplitude gefallen
war) und einen vertikalen Winkel 252 von 0,5° auf. Das
Bündel 116 konnte durch
Anpassen der relativen Phasen der TR-Einheiten um 15° nach unten
und nach oben bewegt werden. Das Azimutradar-Strahlenbündel 22 bildete
ein Bündel
mit einem vertikalen Winkel 254 von 30° und einem horizontalen Winkel 256 von
1°. Die
Radaranordnungen konnten ausreichend schnell kalibriert werden,
um an jedem Morgen vor der Inbetriebnahme kalibriert zu werden (auf
kleinen Flughäfen
landen Flugzeuge üblicherweise
nur tagsüber).
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Die
Erfindung stellt somit ein Radarsystem bereit, das einfach konstruiert
ist und eine schnelle und präzise
Kalibrierung ermöglicht.
Eine Extrusion ist mit einer Hornbasis (die das gesamte Horn sein kann),
einem Eingangswellenleiter und einem Kalibrierungswellenleiter ausgebildet,
wobei TR-Einheiten an der Extrusion angebracht und mit dem Eingangswellenleiter
sowie dem Horn gekoppelt sind. Die Hornbasis oder das Horn verfügt über eine
Innenwand und ein Paar Seitenwände,
und der Kalibrierungswellenleiter ist über eine der Hornwände mit dem
Horn gekoppelt. Ein Messfühler
ist beispielsweise an einem Ende des Kalibrierungswellenleiters
mit diesem gekoppelt, der die Detektion der Amplitude und der Phase
einer jeden TR-Einheit
ermöglicht, wenn
jede TR-Einheit einzeln zur Erzeugung eines Ausgangssignals im Horn
mit Energie beaufschlagt wird.
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Obwohl
hierin bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, wird anerkannt,
dass Modifikationen und Variationen, die Fachleute auf dem Gebiet
auf einfache Weise daran vornehmen können, in den Schutzumfang der
Ansprüche
fallen.