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Anordnung zur nachteffektfreien Peilung
Die ERfindung betrifft eine
auf der Grundlage der Phasenmessung der in zwei Empfangsantennen induzierten Spannungen
aufgebaute nachteffektfreie Peilanordnung.
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Es ist bekannt, daß die Peilung eines Senders, dessen Strahlung auch
übr die Ionosphäre zum Peilort gelangt, mit einem gewöhnlichen Rahmen nicht mehr
möglich ist. Es treten starke Trbungen und Fehlweisungen auf, die auf eine anomale,
radiale, magnetische Komponente zurückgeführt werden können, die im Interferenzfelde
der schräg von oben Fallenden und am Boden reflektierten Raumwelle auftritt. Die
Polarisation, Einfallsrichtung, Phase und Amplitude dieser an der Ionosphäre oder
im UKW-Bereich an Schichtungen der Troposphäre reflektierten Reaumwelle ändert sich
unaufhörlich mit der Lage und Struktur der reflektierenden Schichten.
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Das bisher einzige Verfahren, bei welchem die genannten Fehlweisungen
vermieden werden, ist bekanntlich das Adcockverfahren. Es beruht grundsätzlich auf
einem Vergleich der Phasen der in zwei in einem gewissen Abstand voneinander aufgestellten,
gleichartigen Antennen induzierten Spannungen bzw. auf einer Bestimmung der Phasenflächen
einer beliebigen Komponente des Empfangsfeldes. Im allgemeinen wählt man die vertikale
elektrische Komponente, U-Adcock, H-Adcock. Beim Doppelrahmenadcock wird die azimutale
magnetische Komponente benutzt.
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Nachteilig ist beim Adockverfahren die geringe Empfindlichkeit, die
zur Wahl großer Basisabstände und Antennenhöhen zwingt. Im Mittelwellenbereich ist
das Mißverhältnis zwischen einem Rahmen für Bodenwellenempfang und einem Adcock
gleicher Empfindlichkeit für Raumwellenempfang hinsichtlich
@ihrer
geometrischen Ausdehnung besonders kraß. Es besteht daher seit langem das Bestreben,
eine der Größe des normalen Rahmens besser angepaßte nachteffektfreie Peilanordnung
zu schaffen. Bei den vielfachen Versuchen in dieser Richtung ist wiederholt die
Kombination Rahmen-dipol in irgendeiner Schalt- und Arbeitsweise vorgeschlagen worden,
und zwar wurde versucht, die in einem Rahmen und einem Dipol iduzierten Spannungen
gegenseitig zu kompensieren. Auch der vorliegenden Erfindung liegt diese Kombination
zugrunde, jedoch in einer Anwendungsart, welche allein die Fehler der bisherigen
anordnungen ausschließt.
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Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur nachteffektreien Peilung
elektromagnetischer Wellen vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine Kombination
einer das elektrische Feld aufnelhmenden Antenne mit einer das magnetische Feld
aufnehmenden Antenne, wobei beide Antennen örtlich vereingt sind und um eine gemeinsame
Achse drehbar sind und daß die Phasen der in der elektrischen Antenne und der in
der magnetischen Antenne induzierten Spannungen verglichen werden.
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Es sei #v die der Einfallsebene (x-z-Ebene) parallele Komponente,
#h die transversale Komponente des unter dem Winkel a° am Boden einfallenden Raumwellenfeldes,
Rv bzw. Rh die entsprechenden Fresnelschen Reflektionskoeffizienten, n bzw. n' die
Strahlvektoren der einfallenden und reflektierten Wellen, @ der Aufpunktsvektor
zum Empfangspunkt P.
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#v und #h sind als komplexe Zahlen aufzufassen, so daß der Quotient
#v/#h das Komponentenverhältnis und die Polarisationsphase des einfallenden Drehfeldes
liefert. Die Strahlvektoren n, n' und der Aufpunktsvektor x sind durch die Gleichungen
n = i sin a - ki cos α; n' = i sin α + k cos α; (I) x = ix ~ kz
die Wellengleichungen der den Komponenten #v und #h entsprechenden ebenen Wellen
also durch
gegeben. Dabei ist # = e j 2#/# x sin # und # = 2#/#z cos α gesetzt und der
Zeitfaktor e-jwt fortgelassen worden. die am Boden reflektierten Wellenzüge Ev und
Eh ergeben sich daraus durch Multiplikation mit den Koeffizienten Rv und Rh. Das
Interferenzfeld folgt aus der Addition der Wellenzüge Ev# und EV# bzw.
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Eh# und Eh#. Man findet (vgl. Abb. 1) Ex = #v cos α # (e-j#
- Rvej#), Ey = #h # (3-j# + Rhej#), Ez = #v sin α # (e-j# + Rvej#), (3) Hx
= #h cos α # (e-j# - Rhej#), Hy = #v # (e-j# + Rvej#), @ Hz = #h sin α
# (e-j# + Rhej#).
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Ohne zunächst auf die besondere Form der durch die Reflektionskoeffizienten
Rv und Rh bestimmten Klammerausdrücke der Formeln (3) näher einzugehen, kann man
aus ihnen schon die folgenden Schlüsse ziehen. Wenn die Peilstellung des Antennensystems,
die die Richtung des Senders anzeigt, unabhängig von den Polarisationseigenschaften
der einfallenden Welle sein soll, dann dürfen die beiden Antennen des Systems in
dieser Peilstellung nur durch solche Komponenten des Interferenzfeldes erregt werden,
die beide entweder nur #v oder nur #h enthalten. Man erkennt sofort an Hand von
(3), daß vier derartige Kombinationen zwischen den Komponenten Ex, Ey, Ez und Hx,
Hy, Hz des elektrischen und magnetischen Feldes möglich sind.
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Es sind dies die Kombinationen Ey - Hz ; Ez-Hy; Ex-Hy und Ey-Hx.
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Die Kombination Ey - Hz beteht aus einem horizontalen Dipol und einem
horizontealen Rahmen (Abb. 2), die Kombination Ez - Hy aus einem vertikalen Dipol
und einem vertikalen Rahmen (Abb. 3)] und die identischen Kombinationen Ex - Hy
bzw.
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Ey - Hx aus einem horizontalen Dipol und einem vertikalen Rahmen (Abb.
4). In allen drei Fällen sind die Antennensysteme um eine vertikale Achse drehbar
angeordnet. Alle drei Kombinationen sind für eine nachteffektfreie Peilung geeignet.
Die Gleichungen 93) lassen jedoch noch mehr erkennen; sie gestatten, wesentliche
Eigenschaften der verschiedenen Systeme sofort anzugeben. So erkennt man durch Bildung
der Quotienten Ey/Hz bzw. Ez/Hy, daß die Kombinbationen, Ey - Hz und Ez - Hy in
der Peilstellung eine Phase zeigen (Phase von Ey/Hz bzw.
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Ez/Hy), die völlig unabhängig von den Bodeneigenschaften ist, da ja
der Faktor e-j# + Rhej# bzw. e-j# + Rv ej# bei der Quotientenbildung herausfällt.
Diesen wichtigen Vorzug weisen die Kombinationen Ex - Hy bzw. Ey - Hx nicht auf.
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Hier gehen die Bodeneigenschaften in die Peilstellung kennzeichnende
Phase mit ein. Bei bekannten Bodeneigenschaften lassen sich diese natürlich bei
der Auswertung der Peilung berücksichtigen.
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Besser ist es allerdings, in diesem Fall durch entsprechende Maßnahmen,
z. B. durch Auslegen eines Netzes oder Gegengewichtes, die jeweiligen Bodeneigenschaften
dem. Grenzfall unendlich guter Leitfähigkeit anzunähern. Mit Rücksicht auf den Einfluß
der Bodeneigenschaften sind also die Kombinationen Ey - Hz und Ez - Hy der Kombination
Ex - Hy offenbar überlegen. Dagegen ergeben sich für die Kombination Ex - Hy andere
Vorteile. Man findet nämlich hierfür unter Annahme unendlich guter Bodenleitfähigkeit
die Formeln
und erkennt, daß die die Peilstellung kennzeichnende Phase des Quotienten Ey/Hx
nicht nur von der Polarisation, sondern auch noch vom Einfallswinkel α° der
Raumwelle unabhängig ist. Das bedeutet, daß auch bei Einfall mehrerer. unter verschiedenen
Winkeln in der Einfallsebene einfallenden Wellen die Peilung nicht gestört wird,
das heißt insbesondere, daß auch bei Gegenwart der Bodenwelle richtig gepeilt wird.
diesen wichtigen Vorteil weisen, wie gesagt, die Kombinationem Ey - Hz und Ez-Hy
nicht auf. glücklicherweise tritt jedoch der Winkel α° in den Quotienten Ey/Hz
und Ex/Hy als sinus auf, so daß bei den in der Praxis vorkommenden Schwankungen
des Einfallswinkels zwischen 60 und 80° dieser Einfluß nur wenige Prozent beträgt.
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Praktisch kann man also sagen, daß auch die Kombination Ey/Hz und
Ez/Hy bei mehreren einfallenden Wellen noch befriedigende Peileigenschaften zeigen.
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Zur weiteren Veranschaulichung des Peilverfahrens ist in Abb. 5 der
Verlauf der zur Peilung benutzten Phase des Quotienten Ez/Hy der beiden Antennenspannungen
für die Kombinationen Ez/Hy für verschiedene Azimute γ° aufgetragen. Zur Konstruktion
dieses Phasenverlaufes zeigt die Abb. 6 die Lage des Rahmens R und der Antenne a
in bezug auf die einfallende Welle W. γ° ist der Winkel der Rahmenachse gegen
die Einfallsrichtung der Welle.
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Damit sind die im Rahmen und im Vertikaldipol erzeugten Spannungen
gegeben durch U# = Ez, (5) UR = Hx cos γ = Hy sin γ.
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Nehmen wir der einfacheren Rechnung halber unendlich gute Bodenleitfähigkeit
an (Rv = I; Rz = -I), so finden wir aus (3) die Ausdrücke
Führt man noch für den Polarisationsquotienten #h/#v der einfallenden Raumwelle
den Buchstaben R ein, so hat man UR cos α cos γ # R + sin γ -
= -. (7) UA sin α Ein häufiger Polarisationszustand der Raumwelle ist der
Zustand zirkularer Polarisation, für den R = γ ist. Für diesen Fall zeigt
bei α = 60° die Abb. 7 die Ortskurve des Vektors UR/UA. Die Phase der schon
erwähnten Abb. 5 ist dieser Ortskurve entnommen.
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Man erkennt, daß die Phase in den Peilstellungen γ° = 90° bzw.
γ° = 270° die polarisationsunabhängigen Werte 0° bzw. 180° hat. Durch die
Verschiedenheit der Phasenwerte in den Stellungen γ = 90° bzw. γ = 270°
ist gleichzeitig eine Seitenbestimmung gegeben. In den Stellungen γ = 0° bzw.
γ = 180° beträgt die Phase im vorliegenden Fall zirkularer Polarisation 90°
bzw. 270°, bei anderen Polarisationszuständen ergeben sich in diesen Stellungen
natürlich andere Werte.
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Es ist zur Erzielung eines nachteffektfreien Antennensystems häufig
der Versuch gemacht worden, die in einem Rahmen und einem Dipol induzierten Spannungen
gegenseitig zu kompensieren. Daß dieser Weg nicht zum Ziele führen kann, erkennt
man sowohl an den aus den Ausdrücken (3) gebildeten Quotienten als an Hand der spezielleren
Formeln (6).
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Eine Kompensation der Spannungen ist im allgemeinen nur bei vorgegebener
Frequenz und bei vorgegebenem Einfallswinkel möglich. Da der Einfallswinkel aber
nicht von vornherein bekannt und außerdem sehr stark veränderlich ist, läßt sich
ein Abgleich praktisch nicht durchführen. Dieser Einwand gilt für alle Anordnungen,
bei denen in irgendeiner Weise von einer Kompensation gebrauch gemacht wird. Nur
die Anwendung der Phasenmessung, bei der der Einfluß der Amplituden der Spannungen
ausgeschaltet ist, erlaubt eine vom Einfallswinkel unabhängige polarisationsfreie
Peilung.