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Anordnung zum Nachweis der Anwesenheit von Gegenständen mit Hilfe
von elektromagnetischen Wellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur
Auffindung von Gegenständen mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen, bei welcher
ein umlaufender Richtstrahl den Raum abtastet, in welchem die Gegenstände aufgesucht
werden, und das von einer Richtantenne empfangene Echo des Richtstrahles einem Anzeigegerät,
insbesondere einer Kathodenstrahlröhre, zugeführt wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Umlauf des Abtaststrahles und die Übertragung der Echos zu dem Anzeigegerät
fortlaufend mit Hilfe zweier synchron umlaufender Erregerelemente bewirkt werden,
welche zueinander eine gleichbleibende, der Echoverzögerung Rechnung tragende Winkellage
aufrechterhalten und nacheinander vor den Speiseöffnungen von feststehenden, radial
angeordneten Hörnern vorbeigehen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben `sich aus
den Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.
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Abb. i zeigt einen Hornstrahler, welcher einen Hohlleiter für Hof
Wellen abschließt; Abb. 2 zeigt das Polardiagramm des Hornstrahlers nach Abb. i
; Abb. 3 zeigt einen Verteilerring, der aus einer Reihe von fest nebeneinander angeordneten
Hornstrahlern besteht; Abb. q. zeigt eine Gruppe von durch einen Verteiler erregten
Hornstrahlern;
Abb. 5a und 5b zeigen einen Verteiler; Abb. 6 und
7 zeigen einen Verteiler und die Einrichtung zu ihrer Beschickung; Abb. 8 zeigt
eine vollständige Sende- und Empfangsantenne; Abb. g und ro zeigen die Anordnung
der Antennensysteme für Flugzeugortung; Abb. ir zeigt die Drehverbindungen in zwei
Wellenhohlleitern E und R.
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Das System kann mit sehr kurzen elektromagnetischen Wellen, z. B.
in der Größenordnung von i m, oder ultrakurzen Wellen (unter 0,2o m) arbeiten, je
nach den benutzten Antennenarten. Die folgende Beschreibung der Erfindung bezieht
sich auf das Gebiet der Ultrakurzwellen, deren untere Grenze 1500 MHz (0,2o m) ist,
jedoch ist die Erfindung nicht auf dieses Gebiet beschränkt, vielmehr kann das System
bei Verwendung von geeigneten Antennen mit Frequenzen unterhalb i5oo MHz arbeiten.
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Bekanntlich können Wellen von sehr kurzer Wellenlänge durch Hörner
mit rechteckigem Querschnitt abgestrahlt werden, von denen Abb. i ein Beispiel zeigt.
Das in Abb. i dargestellte pyramidenförmige Horn kann durch seine Öffnung B eine
Welle senden, die bei _4 durch einen Hohlleiter von rechteckigem Querschnitt eingeführt
wird. Die eingeführte Welle ist im Falle der Abb. i eine Hol Welle; wobei für den
Hohlleiter eine Abmessung b größer als A,/2 erforderlich ist, wenn 7, die Wellenlänge
ist, während die Abmessung a beliebig gewählt werden kann. Insbesondere kann man
ohne Nachteil eine sehr kleine Abmessung a verwenden, und diese Besonderheit wird
gemäß der Erfindung ausgenutzt. Das elektrische Feld Ein dem Hohlleiter ist parallel
zu den kleinen Seiten a des Hohlleiters und parallel zu den Seiten mit und op der
Hornöffnung. Die Amplitudenverteilung des Feldes E ist sinusförmig in Richtung der
großen Abmessung b des Hohlleiters und wird längs der Fläche zzap der Hornöffnung
durch die halbe Sinuslinie rnqp dargestellt (Abb. i). Abb. 2 zeigt das in der horizontalen
Ebene erhaltene Diagramm. Dieses Diagramm mit dem Öffnungswinkel a ist um so schmaler,
je größer die Strahlungsfläche a, b1 ist.
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Das Diagramm D läßt man mit hoher Geschwindigkeit um eine Achse umlaufen,
die durch den Punkt 0 der Abb. 2 senkrecht zur Bildebene verläuft. Diese Drehung,
welche eine schnelle Abtastung des ganzen zii erforschenden Raumes bezweckt, wird
erfindungsgemäß durchgeführt, indem man eine große Anzahl von Hörnern, die mit dem
in Abb. i dargestellten übereinstimmen, in der Weise zusammenfaßt, daß sie ein großes,
nach Sektoren unterteiltes Horn bilden, wie es in Abb. 3 dargestellt ist. Die Abmessung
a1 der einzelnen Hörner wurde klein gemacht, damit der sektorförmig unterteilte
Strahler bei einer Öffnung ß von 18o' durch eine große Anzahl von Elementen, z.
B. 2o bis ioo, gebildet werden kann. Die Öffnung 1ß des unterteilten Hornes ist
durch das Suchfeld gegeben, welches das Gerät erhalten soll. Sie kann z. B. bei
den für Handelsschiffe bestimmten Geräten 18o° sein, sie kann aber 360' erreichen
in den den Azimut abtastenden Geräten, z. B. zur Verwendung für Feuerschiffe oder
Leuchttürme. Die einzelnen Hörner 1, 2, 3... (Abb. ¢) werden gruppenweise
durch einen Verteiler in Form eines rechteckigen Hohlraumes C erregt, der an einem
Ende offen und am anderen Ende durch einen einstellbaren Kolben p abgeschlossen
ist. Dieser Verteiler kann mit großer Geschwindigkeit um die senkrecht zu der Bildebene
stehende Achse 0 umlaufen und erregt eine gewisse Anzahl von Seite an Seite liegenden
Hörnern, z. B. die Hörner 7, 8, g, Zo (Abb. 4 und 5), und das Ergebnis ist das gleiche,
wie wenn ein einziges Hörn mit einer Öffnung gleich der Summe der Öffnungsflächen
der erregten Hörner erregt würde, das mit der Geschwindigkeit des Verteilers umläuft.
Das abgestrahlte Bündel hat annähernd dasselbe Polardiagramm wie dasjenige, welches
mit einem einzigen Horn von einer Öffnung, die der Summe der Öffnungen der erregten
Hörner gleich ist, erzielt würde. Dieses Bündel läuft um die Achse 0 um und tastet
den vor den Richtstrahlern gelegenen Raum mit der Winkelgeschwindigkeit u des Verteilers
ab.
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Der in Abb. 5 a dargestellte Verteiler besteht aus einem parallelepipedischen
Hohlraum, der an einem Ende durch einen Kolben f geschlossen und am anderen Ende
offen ist, um die Speisung der einzelnen Hörner durch ihre Mündungen 7', 8', g',
io'.. . zu ermöglichen. Der rechteckige Querschnitt dieses Verteilers hat annähernd
dieselben Abmessungen a und b wie der Hohlleiter A, welcher das in
Abb. i dargestellte Horn speist. Die Abmessung b wird insbesondere so gewählt, daß
die Welle sich ohne Abschwächung ausbreiten kann, d. h. daß sie größer ist als die
halbe Länge der abzustrahlenden Welle. Das elektrische Feld ist nach dem Pfeil E
in Abb. 5 a gerichtet, und dieses Feld behält seine Polarisation und seine Größe,
wenn es in die Mündungen 7', 8', io' der einzelnen Hörner übertragen wird.
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Der Verteiler wird mit Energie durch ein Strahlungselement t gespeist,
welches zu dem elektrischen Feld parallel ist und sich in eine rohrförmige Zuleitung
f mit passendem Wellenwiderstand erstreckt. Der Kolben P ist im Abstand in bezug
auf das Strahlungselement t zum Zwecke der Anpassung einstellbar.
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Man kann in dem Hohlraum auch eine Fläche ab
vorsehen, die einen
Schlitze (Abb. 5 b) aufweist und zwischen den Mündungen 7', 8'. .. der einzelnen
Hörner und dem Strahlungselement t gelegen ist. Durch sorgfältige Einstellung von
d' und d" sowie der Breite des Schlitzes a kann man die geringe Reflexion
völlig zum Verschwinden bringen, welcher die Energie beim Übergang von dem Hohlraum
zu den Hörnern unvermeidlich unterliegt.
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Die Abb. 6 und 7 zeigen, daß die elektromagnetische Energie von dem
Hohlleiter g mit rechteckigem Querschnitt, der mit dem Sender verbunden ist, bis
zu dem Verteiler durch das Energiesammelelement t' übertragen wird, wobei der Hohlleiter
an der Speiseleitung f abschließt. Dieses Sammelelement t' besitzt
an seinem Ende eine der unteren Wand des Hohlleiters g sehr angenäherte Kupferscheibe
D, während der Außenleiter der Speiseleitung selbst durch einen flachen Ring D'
abgeschlossen ist, der so nahe an der oberen Wand des Hohlleiters g liegt, daß eine
Kapazität gebildet wird. Die Scheibe D und der
Ring D' ermöglichen
es, daß die Speiseleitung f ohne Reibung in dem Hohlleiter g umläuft und
trotzdem der Durchgang der UKW-Ströme gesichert ist, während das Kugellager K die
Zentrierung und die Befestigung des Systems mit der Schutzhülle H in der vertikalen
Richtung bewirkt. Der Kolben p', welcher das Ende des Hohlleiters g abschließt,
gestattet eine genaue Anpassung des Sammelelementes t' an den Hohlleiter g.
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Abb.7 zeigt von vorn die Anordnung der den Verteiler mit dem Hohlleiter
verbindenden Speiseleitung f und läßt das dynamische Gegengewicht
f'
erkennen, welches durch ein Rohr gebildet wird, das annähernd dasselbe
Trägheitsmoment in bezug auf die Achse 0-0' wie die Leitung f besitzt. Die
Empfangsantennen sind in jeder Beziehung mit den Sendeantennen gleich, und Abb.
8 zeigt eine vollständige Antenneneinrichtung für Sendung und Empfang. In Abb. 8
ist R eine Empfangsantenne, E eine Sendeantenne und M der Motor, welcher die beiden
Verteiler D und Dl über ein Rad y und eine Schnecke V mit konstanter Geschwindigkeit
antreibt. Die Achse T verbindet die beiden Verteiler D und Dl, welche gegeneinander
etwas versetzt sind, um der Echoverzögerung Rechnung zu tragen. Ihre Speiseleitungen
sind analog der bisherigen Benennung mit f, f1, g, g1 bezeichnet. Das Rad
r,', welches von der mit dem Motor M verbundenen Schnecke V' angetrieben wird, treibt
über die vertikale Achse Z-Z' zwei in den Gehäusen C und Cl enthaltene Einrichtungen
zur Steuerung des Anzeigegerätes an. Diese Einrichtungen und die Verteiler D und
Dl drehen sich genau mit der gleichen Geschwindigkeit, welche auch die Geschwindigkeit
der Abtastung des zu erforschenden Raumes durch das Wellenbündel ist. Die ganze
Anordnung kann in einem Gehäuse aus Gußmetall m untergebracht sein, welches Beobachtungslöcher
mit dichten Türen besitzt. An der Vorderseite der Sende-und Empfangshörner ist ein
Schutz P aus Isolierstoff, z. B. aus Pyrexglas, angebracht, welcher regendicht,
aber für die verwendeten Wellen durchlässig ist.
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Die Erfindung ist auch zur elektromagnetischen Auffindung von Flugzeugen
und Luftschiffen anwendbar. Die unterteilten Richtstrahler werden dann so ausgerichtet,
daß die Suchebene vertikal anstatt horizontal liegt. Abb. g und 1o zeigen, wie das
Aufsuchen von Flugzeugen durchgeführt wird. In Abb. io sind i und z die unterteilten
Richtstrahler für Sendung und Empfang, 0-0' ist die Achse, um die sich die Verteiler
drehen, welche die gleichen sind wie die der Abb. B. 3 ist eine umlaufende Plattform,
welche von einem Motor Ml über einen Zahnkranz 4 und eine Schnecke 5 betätigt wird.
6 ist ein die Plattform tragender Sockel, und 7 sind Laufrollen der drehbaren Plattform.
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Abb. y zeigt eine senkrechte Suchebene P1, auf welcher die Achse
0-D des Diagramms des Wellenbündels verläuft. Dieses Bündel, welches um 0-0'
mit der Geschwindigkeit c9 umläuft, tritt aus der Ebene P1 rechts und links um eine
gleiche Größe hervor, welche der halben Öffnung des Bündels in der Ebene gleich
ist, die zu der Polarisation der Wellen senkrecht steht. Die Aufgabe besteht darin,
die Suchebene dazu zu bringen, daß sie durch die Ebene P' geht, welche das aufzufindende
Flugzeug B enthält. Da die Abtastung in der ganzen Fläche von P1 selbsttätig durch
das System der panoramischen Darstellung vorgenommen wird, ist lediglich die Lage
der Ebene P1 um die senkrechte Achse Y-Y' aufzusuchen, um welche sich die Plattform
dreht. Es ergibt sich damit der Winkel a gegenüber der Normalebene P2.
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Wenn die Suchebene sich nur um 18o° dreht, werden Sender und Empfänger
im allgemeinen von den Antennen getrennt, und diese werden zweckmäßig über Drehverbindungen
gespeist, von welchen Abb. ii ein Beispiel zeigt.
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Diese Anordnung ist die gleiche wie diejenige zur Überführung der
Energie aus den Hohlleitern zu den Verteilern, wie sie oben an Hand der Abb. 6 und
7 beschrieben wurde. Wenn das Gerät zur dauernden Aufsuchung in zwei Ebenen bestimmt
ist, muß es eine fortlaufende Drehbewegung ausführen können, und die die verschiedenen
Organe für Sendung und Empfang enthaltenden Gehäuse werden dann in einem Türmchen,
das von der drehbaren Plattform 3 getragen wird, untergebracht (Abb. io). Die in
Abb. ii dargestellten Drehverbindungen werden dann überflüssig, ebenso wie die Schleifkontakte,
die unbedingt vorgesehen werden müßten, um die Organe zur Messung der Richtung und
der Entfernung, die außerhalb der Plattform liegen, zu speisen.
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Man kann im Bedarfsfalle zwei Richtgeräte gemäß der Erfindung vereinigen:
das eine kann von der horizontalen panoramischen Bauart, die an erster Stelle beschrieben
wurde, und das andere von der vertikalen Bauart sein, wie sie eben beschrieben wurde.
Das erste kann zur dauernden Überwachung des Horizontes bis zu einer gewissen, durch
das vertikale Feld der Hörner bestimmten Höhe dienen, das andere zur genauen Bestimmung
der Entfernung und Höhe eines Flugzeugs oder einer bestimmten Flugzeuggruppe. Die
Grundelemente für die Speisung und die Abtastungen können bei beiden Geräten gemeinsam
sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele von besonderen
Ausführungsformen der Organe beschränkt, sondern umfaßt alle gleichwertigen Varianten,
welche dieselben Aufgaben erfüllen können.