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Anordnung zur Messung der Kenngrößen einer frequenzmodulierten Welle
und ihre Anwendung bei Anzeigegeräten von Radarsystemen
Bei der Untersuchung der
Arbeitsweise von Anordnungen, welche die Frequenzmodulation benutzen, ist es häufig
notwendig, die Kurve der augenblicklichen Frequenzabweichung in Abhängigkeit von
der Zeit genau zu bestimmen. Die zu diesem Zweck bekannten Verfahren benutzen im
allgemeinen einen selektiven Kreis mit regelbarer Frequenz, welcher, wenn mit Höchstfrequenzen
gearbeitet wird, insbesondere in Form eines Hohlraumresonators ausgebildet und mit
dem Feld der frequenzmodulierten Welle gekoppelt ist. Dieser Kreis wird auf eine
be liebige Frequenz in dem Modulationsband abgestimmt, und man mißt die Zeit, welche
zwischen den Durchgängen der Frequenz der Quelle durch einen Anfangswert bzw. einen
der Abstimmung dieses Meßkreises entsprechenden Wert verstreicht, wobei dieser letztere
Durchgang durch die Energieabsorption in diesem Kreis markiert wird, was durch eine
geeignete Einrichtung angezeigt wird. Danach kann man punktweise die Frequenzkurve
in Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnen.
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Dieses System ermöglicht die Messung nicht mit der wünschenswerten
Genauigkeit, weil der abgestimmte Kreis nicht mit sehr großer Selektivität, d. h.
mit einer großen Spannungsüberhöhung Q ausgebildet werden kann. Über einen gewissen
Wert von Q hinaus spricht der Kreis nicht mehr auf die ihm aufgedrückten Frequenzänderungen
an, seine dynamische Resonanzkurve deformiert und verflacht sich, und der von dem
Anzeiger markierte Zeitpunkt der Absorption ist nicht mehr genau mit der Zeit verknüpft,
wo die Erscheinung eintritt.
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Die Erfindung bezweckt die Ausbildung eines Verfahrens, welches eine
höhere Genauigkeit besitzt und außerdem nicht nur die Aufzeichnung der Frequenzändernngskurve
in Abhängigkeit von der Zeit, sondern auch die Messung der Steilheit dieser Kurve
ermöglicht.
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Außer den allgemeinen Anwendungen zur Bestimmung der Frequenzmodulationscharakteristiken
oder der von einer frequenzmodulierten Welle durchlaufenen Kreise sieht die Erfindung
eine besondere Anwendung bei den Anzeigegeräten von mit Frequenzmodulation arbeitenden
Radarsystemen vor, welche eine Anzeige ergibt, die auf einem neuen Prinzip beruht
und eine höhere Genauigkeit aufweist.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß man, nachdem das
Feld der frequenzmodulierten Welle wie bei den bekannten Anordnungen mit einem Hohlraumresonator
gekoppelt wurde, den Ausgangsstrom dieses Hohlraumes durch einen quadratischen Detektor
und einen Differentiationskreis gehen läßt und für die Messung die Spitzen der Kurve
benutzt, welche die Frequenz mit dem Ausgangsstrom des Differentiationskreises verknüpft.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dieser
Strom einer Behandlung unterworfen, durch welche nur ein den Spitzen der ursprünglichen
Kurve entsprechendes Impulspaar bestehenbleibt.
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Die Arbeitsweise zur Ausnutzung dieser Spitzen für die.Messung sowie
die sich daraus ergebenden Einrichtungen werden an Ausführungsbeispielen der Erfindung
erläutert, welche in Fig. I und 4 der Zeichnung schematisch veranschaulicht sind.
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Nach Fig. I wird ein Generator 2, z. B. ein solcher für Ultrahochfrequenz,
in der Frequenz durch einen Modulator 1 moduliert, welcher andererseits einen Sägezahnzeitgeber
7 synchronisiert. Das Feld der Welle des Generators 2 ist mit einem Hohlraumresonator
3 gekoppelt, der die Spannungsüberhöhung Q aufweist und dessen Resonanzfrequenz
F0 in den Grenzen des Modulationsbandes des Generators regelbar ist.
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Gemäß der Erfindung geht der Strom des Hohlraumresonators 3 über
einen quadratischen Detektor 8 mit nachgeschaltetem Differentiationskreis 4, der
in irgendeiner bekannten Weise ausgebildet sein kann. Es läßt sich zeigen, daß der
Ausgangsstrom dieses Kreises in Abhängigkeit von der Abweichung # F zwischen der
Frequenz F0 und der augenblicklichen Frequenz der modulierten Welle eine in Fig.
2 wiedergegebene Form hat. Wie ersichtlich, treten zwei Spitzen auf, welche den
Frequenzen F1 und F2 entsprechen, die mit der mittleren Frequenz F0 durch folgende
Beziehung verknüpft sind: F0-F1=F2-F0=0,29 F0/Q (1) Durch ein bekanntes elektronisches
Verfahren und mit Hilfe eines bei 5 schematisch angegebenen Gerätes kann man den
mittleren Teil der Kurve unterdrücken und sie auf ein Impulspaar I1, I2 nach Fig.
3 reduzieren, wobei diese Impulse je nach dem gewünschten Pegelwert verstärkt werden.
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Diese Impulse werden sodann den Klemmen V der für die senkrechte
Ablenkung dienenden Platten des Oszillographen 6 zugeführt, während die Klemmen
H der für die waagerechte Ablenkung dienenden Platten von dem Zeitgeber 7 gespeist
werden. Es erscheinen dann auf dem Oszillographenschirm die Impulse I1 und I2.
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Aus dem Aufbau der Schaltung ergibt sich, daß man, wenn die Abszissen
nach der Zeit geeicht sind, die Zeitpunkte messen kann, in welchen die Impulse I1
und I2 erscheinen, d. h. die Zeiten t1 und t2, welche dem Durchgang der Frequenz
des Generators 2 durch die Werte F1 und F2 während des Modulationszyklus entsprechen.
Wenn man auf dem Schirm den Mittelpunkt zwischen I1 und I2 markiert, kann man außerdem
die Zeit t0 des Durchganges des Modulationszyklus durch den Wert F0 messen, welcher
der Eigenfrequenz des Hohlraumes 3 entspricht. Dann verfährt man, um beispielsweise
die Kurve der Frequenzabweichung f in Abhängigkeit von der Zeit aufzunehmen, wie
folgt: Nachdem man den der Frequenz F0 entsprechenden Punkt wo gewicht hat, verändert
man die Regelung des Hohlraumes 3 in der Weise, daß seine Eigenfrequenz F0, = F0
+ dF wird. Die Impulse I1, I2 verschieben sich dann seitlich und gehen in die Lagen
I1', I2' über.
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Der Mittelpunkt zwischen den Impulsen to verschiebt sich nach t0'.
Durch Messung des Zeitintervalls to' - to = dt und auf Grund der Kenntnis der Werte
F01 und F0 kann man das Verhältnis df bestimmen, d. h. die Steilheit der gesuchten
Kurve. Indem man dann von dem Anfangspunkt bei Abwesenheit einer Modulation #F=o,
t=o ausgeht und die aufeinanderfolgenden Werte von F0 sowie die Steilheiten um jeden
Punkt benutzt, kann man die gesuchte Kurve punktweise aufnehmen.
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Andererseits kann man dasselbe Verfahren anwenden, um die Spannungsüberhöhung
Q des Hohlraumes 3 zu messen. Zu diesem Zweck braucht man, nachdem man die Frequenz
und die Lagen der Impulse I1, I2 markiert hat, nur die Frequenz des Hohlraumes auf
einen solchen Wert P1 oder F2 zu regeln, daß der Mittelpunkt zwischen zwei neuen
Impulsen I1', I2' mit der Lage zusammenfällt, welche einer der Impulse I1 oder I2
vorher eingenommen hatte.
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Danach ergibt sich die Spannungsüberhöhung Q durch folgende Beziehung:
o,29F0 oder Q Q29FQ (2) F,-F, F,-F, Um die Anwendung dieser Grundgedanken bei Radarsystemen
mit Frequenzmodulation klar zu machen, wird die Theorie dieser Systeme erläutert.
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Bei denmit Frequenzmodulation arbeitenden Radarsystemen läßt sich
die augenblickliche Frequenz des gesendeten Signals schreiben Fe=F0+#F(t). Die Frequenz
des Signals, welches von dem in einer Entfernung d gelegenen Hindernis reflektiert
wird, hat den Ausdruck
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
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Das Ergebnis der Mischung zwischen den Signalen Fe und Fr geht in
einen Schmalbandfilter, der auf eine verhältnismäßig niedrige Frequenz Fm eingestellt
ist.
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Man erhält einen Impuls 13. jedesmal, wenn
d. h. sehr angenähert
wobei ts die Zeit ist, welche dem Auftreten des Impulses I3 entspricht.
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Die Entfernung ergibt sich somit aus der folgenden Beziehung:
Diese Beziehung ist sehr allgemein, weil sie die Form der Modulation nicht festlegt.
Sie zeigt, daß man, um einen richtigen Wert der Entfernung zu erhalten, in jedem
Zeitpunkt die Größe d (3t )- zu messen hat, welche der Zeit t3 entspricht.
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Das Prinzip der oben beschriebenen Einrichtung eignet sich besonders
für die Durchführung einer solchen Messung.
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Fig. 4 zeigt ein Schema einer Radaranlage, bei welcher, wie bei den
meisten Radarsystemen, der Impuls I3 benutzt wird, um auf einem Rundsichtschirm
einen Lichtfleck hervorzurufen. Sie besitzt außerdem die wesentlichen Schaltungsteile
der Fig. I.
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Wie bei der Schaltung nach Fig. I ist I ein Modulator, 2 ein Generator
für modulierte Frequenz, 3 ein regelbarer Hohlraumresonator, 8 ein quadratischer
Kristalldetektor, 4 ein Differentiationskreis und 5 eine Einrichtung, welche aus
dem differenzierten Strom die Impulse I,, I2 bildet und sie verstärkt. Mit 7 ist
der Zeitgeber bezeichnet. Der Generator 2 speist über einen Umschalter g für Sendung--Empfang
eine Drehantenne 10. Die frequenzmodulierte Welle, welche von dem Hindernis reflektiert
und von der Antenne 10 empfangen wird, geht wieder über den Umschalter g und erregt
gleichzeitig mit der Welle des Generators 2 einen Empfänger II, welcher die Impulse
I3 abgibt.
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Die Impulse I1, I2 mit entgegengesetzter Polarität, welche der Verstärker
5 liefert, werden durch zwei Detektoren I5 geschickt, die mit verschiedenen Richtungen
in zwei parallelen Wegen vorgesehen sind, von welchen der eine nur von den Impulsen
I1 und der andere nur von den Impulsen I2 durchlaufen wird.
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In einen dieser Wege ist eine Röhre I6 eingeschaltet, die auf einen
Widerstand I7 arbeitet, und dieser ist so gewählt, daß die Verstärkung der Stufe
gleich I ist, so daß diese Röhre dem Signal eine Phasenverschiebung von I80" erteilt,
während der andere Weg das Signal ohne Deformation überträgt. Diese beiden Wege
führen zu gleichen Verstärkerstufen I8. Die von diesen Verstärkern ausgehenden Impulse
von gleicher Polarität werden in dem Ausgangskreis vereinigt und gehen in die Stufe
I2, in welcher sie den von dem Empfänger 11 gelieferten Impulsen I3 überlagert werden.
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Die von der Stufe 12 abgegebenen Impulse I1, I2, I3 mit gleichem
Vorzeichen werden an die Wehnelt-Elektrode der Kathodenstrahlröhre 13 geschickt,
welche als Rundsichtanzeiger arbeitet, beispielsweise mit magnetischen Ablenkspulen
I4, die durch den von dem Zeitgeber 7 gelieferten Abtaststrom durchflossen und um
den Kolben im Gleichlauf mit der Antenne gedreht werden.
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Die Einrichtung arbeitet wie folgt: Der Impuls 13, welcher von der
Rückkehr des reflektierten Signals an der Antenne und von der radialen Umlaufabtastung
abhängt, läßt auf dem Schirm einen Fleck T erscheinen, welcher die Richtung des
Hindernisses angibt, ohne direkt seine Entfernung anzuzeigen. Die Impulse I1 und
I2, welche bei jedem Modulationszyklus auftreten, aber nicht von dem reflektierten
Signal abhängen, lassen auf demselben Schirm zwei konzentrische Kreise erscheinen,
deren nach der Zeit geeichte Halbmesser die Zeiten t3 und t3 des Durchganges der
augenblicklichen Frequenz des Generators 2 durch die Werte F1 und F2 messen, die
beiderseits der Frequenz F0 des Hohlraumes 3 liegen. Die Bedienung besteht also
darin, daß man die Frequenz des Hohlraumes bis auf einen solchen Wert F0 verändert,
daß die Kreise mit den Halbmessern tl und 13 symmetrisch zu beiden Seiten des Fleckes
T zu liegen kommen, d. h. daß die Zeit t3 des Impulses I3 der Mittelwert der Zeiten
t1 und t2 ist. Da F2 -F1 = o,58 o,58 FQO kann man, wenn diese Abweichung genügend
klein ist, schreiben:
und der Abstand des Hindernisses ergibt sich nach der Formel (3) aus: cFrnQ (12-t1)
(4) d= Die Ausbildung der Differentiationsstufe, des Generators für die modulierte
Frequenz des Modulators, des Zeitgebers, des Impulsverstärkers und ebenso der verschiedenen
Mischstufen wurde nicht im einzelnen beschrieben, da solche Stufen oder Schaltungen
an sich bekannt sind und ihre Ausbildung im einzelnen dem Fachmann keine Schwierigkeiten
bereitet. Ferner ist die Erfindung nicht an die besondere Art der verwendeten Schaltungen
gebunden, sondern erstreckt sich im Gegenteil auf alle Anordnungen, welche das beschriebene
Verfahren benutzen, ohne daß die behandelten Ausführungsbeispiele als einschränkend
aufzufassen wären.