DE862465C

DE862465C - Schaltanordnung fuer Funk-Hoehenmessung mit Frequenzmodulation

Info

Publication number: DE862465C
Application number: DES20054A
Authority: DE
Inventors: Louis Couillard
Original assignee: Societe Francaise Radio Electrique
Current assignee: Societe Francaise Radio Electrique
Priority date: 1946-02-13
Filing date: 1950-10-01
Publication date: 1953-01-12
Also published as: GB643998A; FR923688A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Funk-Höhenmesser mit Frequenzmodulation, die dazu benutzt werden, die absolute Höhe eines Flugzeuges über dem Erdboden anzuzeigen.

Diese Apparate enthalten im allgemeinen: a) einen Sender, dessen Frequenz proportional als Funktion der Zeit sich ändert, b) einen Empfänger, der einmal die direkte Strahlung des Senders aufnimmt und dann die indirekte Strahlung, die von der Reflektion der ausgesandten Welle an der Erde ausgeht.

Infolge der Verzögerung, die von dem Hinundhergang der reflektierten Welle herrührt, werden zwei Wellen gleichzeitig zum Empfänger gelangen mit einer Frequenzdifferenz, welche mit der Höhe des Flugzeuges zunimmt. Die Interferenzfrequenz, die von der Anzeige dieser beiden Wellen herrührt, wird nach geeigneter Verstärkung durch einen Frequenzmesser gemessen, welcher unmittelbar die Höhe über dem Erdboden anzeigt.

Um ein genaues Arbeiten zu erhalten, müssen die Charakteristiken des Empfangsverstärkers gewissen Bedingungen genügen:

1. Da bei der reflektierten Welle die Amplitude in dem Maße abnimmt, wie die Höhe zunimmt, ist man genötigt, um die Störung zu vermeiden, die von den Niederfrequenzstörungen des Senders herrührt, dem Verstärker eine derartige Charakteristik zu geben, daß seine Verstärkung mit der Frequenz zunimmt.

2. Um zu vermeiden, daß die Nebenfrequenzen von höherer Frequenz als die Nutzfrequenz und die Harmonischen dieser Frequenz nicht mehr verstärkt werden als die Nutzfrequenz selbst, sieht man im allgemeinen eine derartige Anordnung vor, daß die Verstärkung aufhört zuzunehmen oder besser sich mindert für alle Frequenzen, die höher liegen als die Nutzfrequenz.

Um dieses Resultat zu erhalten, benutzt man im allgemeinen entsprechende Vorrichtungen, wie eine

Röhre in veränderlicher Reaktanzschaltung, die auf die Grenzfrequenz eines Filters einwirken, z.B. gesteuert durch eine frequenzproportionale Gleichspannung, derart, daß, je höher die Frequenz ist und infolgedessen die Steuerspannung erhöht ist, um so mehr die maximale Verstärkung des Verstärkers erhöht • wird, wobei das Maximum der Ansprechkurve oder der Punkt auf ihr, wo die Verstärkung aufhört zu wachsen, der Nutzfrequenz entspricht, ίο Aber diese Anordnung besitzt verschiedene Nachteile :

i. Wenn in Richtung eines Fluges in Höhen, die über der Skala des Meßapparates liegen, die Sendung plötzlich unterbrochen wird (infolge einer Vertikal-Wendung z. B.), so wird die Steuerspannung selbst unterdrückt werden, und die Verstärkercharakteristik wird infolgedessen in einem Punkt geregelt, der einer viel tieferen Frequenz entspricht, d. h. im Minimum ' der Verstärkung. Wenn die Sendung wieder erscheint, kann die Verstärkung nicht mehr ausreichend werden, um die Arbeitsweise des Apparates zu sichern, und das Flugzeug wird zu einer Höhe absteigen müssen, die genügend tief ist, um eine richtige Arbeitsweise· wiederzufinden.

Dasselbe wird eintreten, wenn das Flugzeug die maximale Anzeigehöhe des Höhenmessers so weit überschreitet, daß dieser zu arbeiten aufhört.

Die Unterdrückung dieser Nachteile führt im allgemeinen zu ziemlich komplizierten Vorrichtungen.. 2. In der Nachbarschaft des Bodens ist die reflektierte Welle, die der Höhe des Flugzeuges entspricht, im allgemeinen von Störwellen begleitet, wie von Reflektionen an verschiedenen Hindernissen (wie Schuppen, Häusern, Bäumen usw.) oder einer aufeinanderfolgenden Vielfachreflektion zwischen Boden und Flügel des Flugzeuges.

Die Frequenzen, die all diesen parasitären Reflektionen entsprechen, sind viel höher als die Nutzfrequenz. Hieraus folgt eine Vergrößerung der Steuerspannung und infolgedessen eine Übererregung der Verstärkung der parasitären Frequenzen, die eine Ablesung einer.viel größeren Höhe nach sich ziehen, als die wirkliche Höhe ist.

.3. Endlich in dem speziellen Falle, wo eine Röhre gebraucht wird mit veränderlicher Reaktanz, ist es schwierig, eine genaue Arbeitsweise derselben in einem weit ausgedehnten Bereich zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung unterdrückt die obenerwähnten Nachteile und sieht besonders einfache Vorrichtungen vor, welche dem Verstärker ermöglichen, seine maximale Verstärkung im Falle der Unterdrückung der Emission zu behalten und ihn regelbar machen über die Charakteristik, die der tiefsten Frequenz entspricht im Falle von Vielfachreflektion. Nach der Erfindung wird eine Steuerspannung erzeugt, die umgekehrt proportional der Differenzfrequenz oder wenigstens veränderlich im umgekehrten Sinn zur Differenzfrequenz ist nach einem vorgegebenen Gesetz, und diese Steuerspannung wird einer Vorrichtung zugeführt, welche den die jeweilige Nutzfrequenz bevorzugenden Frequenzgang des Verstärkers in verstärkungsminderndem Sinne abändert.

Unter diesen Bedingungen wird im Falle der Unterdrückung der Sendung die Steuerspannung selbst unterdriickt werden, und der Verstärker wird automatisch von der höchsten Frequenz geregelt werden, d. h. im Maximum der Empfindlichlceit.

Ferner, im Falle der Vielfachreflektion, wird der Verstärker durch die tiefste Frequenz gesteuert werden, welche die größte Steuerspannung liefert.

Die Fig. 1 stellt als Ausführungsbeispiel das Schema einer Schaltanordnung dar, die es ermöglicht, die Steuerspannung in dem allgemeinsten Falle zu erhalten, wobei der Frequenzmesser am Ausgang des Verstärkers eine Röhre benutzt, die eine Spannung liefert mit konstanter rechtwinkliger Amplitude.

In dieser Figur bezeichnet 1 die Röhre, welche die rechtwinklige Spannung der zu messenden Frequenz liefert, deren Anode durch den Widerstand 2 Spannung HT erhält. Die rechtwinklige Spannung wird dem Impulszähler des Frequenzmessers durch den Kondensator 3 übermittelt.

Die Anordnung, welche die Steuerspannung liefert, enthält einen Widerstand 4 in Serie mit einem Kondensator 5, welche Serienschaltung parallel zu dem Anodenkreis der Röhre 1 geschaltet ist.

Der Kondensator 5 lädt sich exponentiell während der positiven Wechsel der rechteckigen Spannung und entlädt sich exponentiell während der negativen go Wechsel. Hieraus folgt, daß an den Klemmen 5 eine periodische Zahnspannung erscheint, deren Amplitude im umgekehrten Sinn mit der Frequenz variiert. Wenn die Zeitkonstante des Systems 4,5 gegenüber der halben Periode der rechteckigen Spannung groß ist, ist die Amplitude der an den Klemmen von 5 entwickelten Spannung sehr empfindlich umgekehrt proportional der Frequenz. Ein Gleichrichter 6, der dem Belastungswiderstand 7 zugeordnet ist, mit einem Blockkondensator 8 und einem Entkopplungswiderstand 9, liefert schließlich die Steuergleichspannung. Die Richtung für die Einschaltung des Gleichrichters 6 ist gewählt gemäß der Richtung der Steuerspannung, die man zu erhalten wünscht.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung besteht unter dem Gesichtspunkt, die Ansprechkurve des Verstärkers in einem ausgedehnten Frequenzband korrekt zu steuern, im Gebrauch eines Gegenrückkopplungsverstärkers, in dem das Rückkopplungsnetz derart aufgebaut ist, daß die Verstärkung mit der Frequenz über das gesamte Nutzband zunimmt. Die z. B. durch eine analoge Anordnung wie die oben beschriebene erhaltene Steuerspannung wird alsdann auf den Verstärker in einer derartigen Richtung geschaltet, daß seine Verstärkung abnimmt, sobald diese Spannung steigt, d. h. sobald die Frequenz abnimmt.

Man weiß, daß die Gesamtverstärkung eines Ver-. stärkers mit Gegenrückkopplung durch den Ausdruck gegeben ist

+ B

in welchem A die Eigenverstärkung des betrachteten

Verstärkers ohne Gegenrückkopplung bedeutet und B die Verstärkung des Gegenrückkopplungsnetzes.

Sobald B groß ist gegenüber —, wird die Gesamtverstärkung G sichtlich gleich -^-, und die Ansprechkurve der Gesamtschaltung ist umgekehrt derjenigen des Gegenrückkopplungsnetzes. Sobald B gegenüber —

ίο zu vernachlässigen ist, ist die Verstärkung offensichtlich gleich A.

Wählt man das Netz der Gegenrückkopplung derart, daß B z. B. umgekehrt proportional der Frequenz ist für alle Frequenzen, die einem Wert

von B entsprechen, der groß gegenüber — ist (A₀ ist

die Eigenverstärkung des Verstärkers bei Abwesenheit der Steuerspannung), so wird die Gesamtverstärkung sichtlich proportional der Frequenz. Für höhere Frequenzen, wobei B nach und nach immer kleiner

gegenüber -^ wird, wird die Gesamtverstärkung gegen

die Grenze A₀ streben.
Die Gesamtansprechkurve ist mit a-b in der Fig. 2 dargestellt. Man sieht bei dieser Figur, daß für alle unteren Frequenzen gegenüber einer bestimmten Frequenz F₀ die Verstärkung offensichtlich proportional der Frequenz ist und für alle Frequenzen oberhalb von F₀ die Verstärkung offensichtlich gleich A₀ ist.

Sobald eine reflektierte Welle zum Empfänger gelangt, wird die Schwebung mit der direkten Welle eine Interferenzfrequenz, z. B. vom Werte F₁ hervorbringen. Hierauf wird eine Steuerspannung folgen, die der Eigenverstärkung des Verstärkers den Wert A₁ zuteilt, und die Ansprechkurve wird diejenige sein, welche in der Fig. 2 durch a-c dargestellt ist.

Für Frequenzen viel kleiner als P₂, z. B. F₃, wird die Steuerspannung viel größer sein, und die Eigenverstärkung des Verstärkers wird entsprechend die Werte A₂ und A₃ annehmen, und die Ansprechkurven werden entsprechend a-d und a-e.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung in einem breiten Frequenzintervall verlangt eine große Änderung der Verstärkung des Verstärkers, aber es ist möglich,

eine derartige Änderung zu erhalten, wenn man mehrere Stufen für eine Stufenverstärkung anwendet. Wenn man η Stufen verwendet, wird die totale Änderung der Verstärkung gleich der w-ten Potenz sein gegenüber der Verstärkung einer einzigen Stufe.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann man die Arbeitsweise der vorstehenden Vorrichtung verbessern und derartige Ansprechkurven erhalten, daß die Verstärkung für alle höheren Frequenzen als die Nutzfrequenz abnimmt. Zu diesem Zweck gibt man dem Verstärker ohne Berücksichtigung der Gegenrückkopplung eine derartige Charakteristik, daß seine Eigenverstärkung in umgekehrtem Sinne mit der Frequenz sich ändert. Die Fig. 3 stellt die Ansprechkurven dar, die in dem Falle erhalten sind, wo die Eigenverstärkung des Verstärkers umgekehrt proportional der Frequenz ist. Diese Verstärkercharakteristik ist durch die Gerade .4 ₀ bei Abwesenheit der Steuerspannung dargestellt. Die Gesamtansprechkurve ist alsdann a-b-V; man sieht, daß sie durch ein Maximum für eine gewisse Frequenz F₀ geht.

Für andere Frequenzen F₁, F₂, F₃ geben die entsprechenden Steuerspannungen dem Verstärker die C harakteristiken A₁, A₂, A₃, denen die Gesamtansprechkurven a-c-c', a-d-d', a-e-e' entsprechen.

Die Fig. 4 stellt als Ausführungsbeispiel einen Verstärker gemäß der Erfindung dar, der zwei Stufen enthält. In dieser Figur empfängt die erste Röhre 10 unter Zwischenschaltung eines Kopplungskondensators 11 die Spannung, die vom Gleichrichter oder etwa vom vorausgehenden Verstärker geliefert wird. Die verstärkte Spannung wird auf eine zweite Röhre 12 mittels des Belastungswiderstandes 13 und des Verbindungskondensators 14 geschaltet.

Nach einer neuen Verstärkung durch 12 wird die Spannung den folgenden Stufen durch den Belastungswiderstand 15 und den Kopplungskondensator 16 übertragen.

Die durch 12 verstärkte Spannung wird unter Zwischenschaltung des Blockkondensators 17 dem Rückkopplungsnetz zugeleitet, welches die Widerstände 18 und 19 enthält; der Kondensator 20 und der Widerstand 21 sind andererseits in den Heizkreis der Röhre 10 geschaltet.

Die Gesamtheit dieser Elemente liefert eine bekannte Schaltung für verbesserte Gegenrückkopplungsempfänger. Die Elemente des Gegenrückkopplungsnetzes sind in der Art berechnet, daß eine Charakteristik der Gesamtverstärkung erhalten wird, die der Frequenz proportional ist. Die negative Steuerspannung, die z. B. durch eine analoge Anordnung wie die, die vorher mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, erhalten wird, ist über die Widerstände 22, 23 auf die Steuergitter der Röhren 10 und 12 geschaltet.

Unter diesen Bedingungen entspricht die Arbeitsweise dieser Gesamtschaltung der oben in bezug auf die Fig. 2 beschriebenen.

Um die Charakteristiken nach Fig. 3 zu erhalten, sieht man außerdem einen Kondensator 24 (Fig. 4) vor, der parallel zum Anodenkreis der Röhre 10 geschaltet ist. Die Eigenverstärkung des Verstärkers ist so umgekehrt proportional der Frequenz, wie es in Fig. 3 bei A₀, A₁, A₂, A₃ dargestellt ist, je nach der angewandten Steuerspannung.

Die Gesamtarbeitsweise ist also gleich derjenigen, die in bezug auf die Fig. 3 beschrieben ist.

Übrigens, um analoge Ansprechkurven wie diejenigen nach Fig. 5 zu erhalten, muß die Änderung der Verstärkung des Verstärkers viel höher sein als in dem Falle der Kurven nach Fig. 2.

In dem betrachteten Falle nach Fig. 3, wo die Verstärkung des Gegenrückkopplungsnetzes und die Eigenverstärkung des Verstärkers umgekehrt proportional der Frequenz ist, wird die Änderung der Ver-Stärkung, ausgedrückt in Dezibel, zweimal größer sein müssen als in dem Falle der Fig. 2.

Es kann in gewissen Fällen schwer sein, eine derartige Änderung des Verstärkers zu erhalten. Aber die Charakteristik der Fig. 3 ist besonders nützlich einerseits in bezug auf niedere Frequenzen,

um den Einfluß der Vielfachreflektionen zu beseitigen, andererseits für hohe Frequenzen, um die Grundstörgeräusche herabzusetzen.

Um die angeführten Schwierigkeiten zu beseitigen, erscheint es im Sinne einer Ausführungsforrn der Erfindung zweckmäßig, der Eigenverstärkung des Verstärkers gegenüber der Frequenz eine umgekehrte Charakteristik an den beiden Enden des gebrauchten Nutzbandes oder evtl. an einem einzigen Ende dieses

ίο Bandes zu geben.

Die Fig. 5 stellt den Gang der erhaltenen Ansprechkurven für den Fall dar, daß die Eigenverstärkung des Verstärkers umgekehrt proportional der Frequenz an den beiden Enden des Bandes ist. In dieser Figur sind die Charakteristiken durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet wie die entsprechenden Charakteristiken der Fig. 3.

Die Fig. 6 stellt endlich als Ausführungsbeispiel eine Abänderung dar, die man am Verstärker nach Fig. 4 anbringen kann, um die Charakteristiken der Fig. 5 zu erhalten.

In der Fig. 6, wo nur ein Teil des Verstärkers

dargestellt ist, bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Vorrichtungen wie in der Fig. 4. Außerdem bezeichnen 25 bzw, 26 einen Widerstand und einen Hilfskondensator, die derartig dimensioniert sind, daß die Eigenansprechkurve des Verstärkers für tiefere Frequenzen als eine gewisse Frequenz F₄ (Fig. 5) umgekehrt proportional der Frequenz verläuft.

Außerdem wird der Kondensator 24 (Fig. 6) derart dimensioniert, daß seine Wirkung sich nur auf die oberhalb einer gewissen Frequenz F₅ (Fig. 5) gelegenen

Frequenzen erstreckt. Die Frequenzen F₄ und F₅ sind dabei gewählt im Rahmen der zulässigen Ver-Stärkung des Verstärkers.

Obgleich die vorliegende -Erfindung für diese speziellen Fälle beschrieben ist, ist sie in keiner Weise hierauf beschränkt. Es sind im Gegenteil zahlreiche Abänderungen und Anpassungen möglich. Das ist z. B. der Fall, wenn der Verstärker mehr als zwei Stufen besitzt oder wenn das Gegenrückkopplungsnetz nach einem anderen Aufbau als dem dargestellten verwirklicht wird.

Ebenso kann die Eigencharakteristik des Verstärkers, die nach dem beschriebenen Beispiel durch den Kondensator 24 erhalten wird, auch dadurch erhalten werden, daß man diesen Kondensator in einem anderen passend gewählten Punkt anschließt, oder noch durch ein anderes bekanntes Mittel, z. B. indem man Selbstinduktionsspulen in passenden Punkten der Kreise zwischenschaltet.

Man kann ferner, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, die Steuerspannung nur an einem Teil des Belastungswiderstandes 7 nach Fig. 1 abgreifen oder auch auf die verschiedenen Röhren verschiedene Bruchteile der Steuerspannung geben oder die Steuerspannung nur an gewisse Verstärkerröhren legen, mit dem Ziel z. B-., eine passende Änderung der Steuerspannung als Funktion der Nutzfrequenz zu .erhalten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltanordnung für Funk-Höhenmessung mit Frequenzmodulation und Auswertung der Differenzfrequenz von gesendeter und nach Rückstrahlung empfangener Welle, dadurch gekennzeichnet, daß sie Vorrichtungen enthält, um eine Steuerspannung zu erhalten, die in umgekehrtem Sinn mit der Differenzfrequenz variiert, und eine Vorrichtung, an welche diese Steuerspannung angelegt ist und welche damit den die jeweilige Nutzfrequenz bevorzugenden Frequenzgang des Verstärkers in verstärkungsminderndem Sinne abändert.

2. Schaltanordnung für Funk-Höhenmessung mit Frequenzmodulation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Verstärker enthält, der mit einem Gegenrückkopplungsnetz versehen ist, dem die Steuerspannung zugeführt ist.

3. Schaltanordnung für Funk-Höhenmessung mit Frequenzmodulation nach den Ansprüchen 1 und 2,. dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Verstärker enthält, dessen Eigenverstärkung in umgekehrtem Sinn mit der Frequenz sich ändert, und Vorrichtungen zur Herstellung einer derartigen Steuerspannung, daß die Gesamtverstärkung durch ein Maximum für eine Frequenz läuft, die von der Steuerspannung abhängig ist.

Angezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 861 591.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 5615 12.52