DE924702C - Funkempfangseinrichtung zur Bestimmung des Abstandes und allenfalls der Richtung eines Drehfeldsenders - Google Patents

Description

Es ist ein Navigationsverfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Drehfeldfunkfeuer nicht nur zur Bestimmung der Richtung von der Empfangsstelle auf das Funkfeuer zu, sondern auch des Abstandes zwischen Empfänger und Feuer benutzt werden kann. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bei einem Funkempfangsgerät zum Empfang eines solchen abstandangebenden Funkfeuers, das während jeder Drehung häufig seine Bewegungsoder Phasenrichtung umkehrt, und insbesondere die Automatisierung der Abstandsanzeige, derart, daß diese mit hoher Genauigkeit direkt einem Instrument entnommen werden kann, ohne daß das Bedienungspersonal am Empfangsgerät andere manuelle Maßnahmen als diejenigen vornehmen muß, welche normalerweise vorkommen, sobald eine automatische Funkempfangsanlage in Betrieb gesetzt werden soll. Die Erfindung betrifft in einer Ausführungsform auch einige mit der erwähnten Empfangsvorrichtung verbundene Teile zur Erlangung der Peilangabe.

Erfindungsgemäß besitzt der Empfänger eine drehende Rahmenantenne oder andere Richtantenne sowie eine feste ungerichtete Antenne, welche über einen gleichrichtenden Verstärker an das feste bzw. drehbare System eines ferrodynamischen Meßinstruments angeschlossen sind, dessen Skala vorzugsweise in Einheiten des Abstandes zum Sender geeicht ist.

Die Erfindung wird näher im Zusammenhang mit der Zeichnung 'beschrieben, welche Ausführungsbeispiele dafür veranschaulicht.

Fig. r zeigt ein Strahlungsdiagramm des Senders zusammen mit einer graphischen Komstruktion zur Erklärung der Wirkungsweise des Empfängers;

Fig. 2 und 3 zeigen, wie die Modulation durch Umschalten des Feldes des Senders zu einer niederfrequenten Empfangsschwingung trapezähnlicher Form Veranlassung gibt;

Fig. 4 zeigt, wie der maximale Modulationsgrad dieser Schwingung mit dem Abstande zwischen ίο Sender und Empfänger veränderlich ist, und

Fig. 5 zeigt schließlich ein Beispiel für die Benutzung des Empfängers, so daß man gleichzeitig eine völlig automatische Angabe sowohl des Abstandes zwischen Sender und Empfänger als auch der Peilung erhält.

Falls die Antenne des Senders, wie vorgeschlagen wurde, als mehrpolige Rahmenantenne ausgebildet ist, kann, die Feldstärke des Fernfeldes am Empfangsort durch die folgende Formel beschrieben werden:

E = E₀- e~ ^?R ■ si

sin

⁰I

In dieser Formel bezeichnet E die Feldstärke des Fernfeldes, E₀ den momentanen Maximalwert dieser Feldstärke beim Sender, e die Basis des natürlichen Logarithmus, β die Dämpfung je Wegeinheit, R den Abstand vom Sender, ω die Winkelgeschwindigkeit des Feldes = 2πν, wo ν die Frequenz des Feldes ist, t die Zeit, η die halbe Polzahl des Antennensystems', α das Azimut mit Bezug auf den Ort des Empfängers und c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Feldes.

Während der Drehung des Feldes pflanzt sich gleichzeitig seine Wellenfront fort, so daß diese eine Spirale beschreibt, wie sie schematisch in Fig. ι durch die ausgezogene Linie 10 für die eine Rotationsrichtung und durch die punktierte Linie 11 für die andere Rotationsrichtung angegeben ist. Der Abstand hängt eindeutig von dem Winkel ab, den die Tangente an einem Punkt der Spirale mit dem Radius zu diesem Punkt bildet, wobei vorausgesetzt wird, daß der Empfänger sich in der Verlängerung des Radius befindet. Die Erfindung macht hiervon Gebrauch.

Betrachten wir jetzt zwei nahegelegene Punkte 12 und 13 auf der einen Spirale, welche die momentan vorhandene Feldverteilung beschreiben möge, so

E = E' — E" = E₀' · cos (ω · t +

Falls jetzt ein Peilrahmen im Punkt 14 angebracht wird, erhält man ein Minimum in diesem Rahmen für einen Winkel φ, der dadurch, bestimmt wird, daß

können die Feldstärken in diesen beiden Punkten offenbar durch die Gleichungen angegeben werden:

coöR

E' = E₀' sin

E" = E₀' sin

ω t

cu

(OÖR

;α-όα)],

+ η (α+δ

(2)

(3)

In ihnen repräsentiert E' die Spannung oder Feldstärke im Punkt 12 und E" die Feldstärke im Punkt 13, E₀ den momentanen Maximalwert der Spannung im Sendepunkt ο und R den Abstand zwischen dem Sender ο und dem Empfänger 14. δR und δα sind der Zeichnung zu entnehmen. Der Spannungsunterschied zwischen den Punkten 12 und 13 wird darm

= — 2

a) · sin (-woa

Zur Vereinfachung wird jetzt eingeführt:

. d · cos φ .^d.

^δα= · ÖR=—sin<p;

ηδα\ (4)"

dies ist erlaubt, da die früher als Differentiale betrachteten Größen tatsächlich eine endliche Größe haben. Dabei bezeichnet d den Abstand zwischen den beiden Punkten 12 und 13 und φ den Winkel zwischen der Verbindungslinie der beiden Empfangs antennen, die in den erwähnten Punkten angeordnet sind, einerseits und dem Lot zum Sender.radius¹ ο bis 14 andererseits. Dabei kann man das Glied

gegen

• [(oöR 1

sin η · oa\

Y ^c J

[ωά. d cos φ 1

— · — sinn) — η — · ——— c 2 ^r 2 R J-

(5)

austauschen.
Falls man fetzt die Verhältnisse derart wählt, daß

— = -^- ist (worin X die Wellenlänge bedeutet), und

da weiter — als sehr klein betrachtet werden muß, it

so kann der Sinus des Winkels φ mit guter Annäherung gegen den Winkel selbst (im Bogenmaß gemessen) ausgetauscht werden. Man erhält dann

η λ

α) sin φ

znR

cos φ

■]·

(6)

^C0S(P ~

wird, womit man die Minimumbedingung erhält:

Wechselt man die Drehrichtung des Senderfeldes, so wird mit der umgekehrtenDrehriohtungfi negativ, und der Winkelunterschied zwischen den beiden Peilminima wird dann zu 2 φ erhalten. Sein Mittelwert ergilbt dann die Richtung auf den Sender zu.

Falls die Drehrichtung periodisch gewechselt wird, wird die Signalstärke in einer Weise veränderlich sein, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird. Es ist bekannt, daß die Richtungscharakteristik der Rahmenantenne im großen und ganzen einer im

rechtwinkligen Koordinatensystem gezeichneten Sinuskurve folgt. Diese wird indessen, wie oben gezeigt wurde, mit einem Betrag von 2 φ beim Wechsel der Drehrichtung verschoben, weshalb die betreffende Kurve mit der Sinuskurve 15 in der einen Drehrichtung, mit der Kurve 16 aber in der anderen Drehrichtung zusammenfallen wird. Die Umschaltung der Drehrichtung bewirkt deshalb, daß der Empfang wechselweise nach der Kurve 15 und nach der Kurve 16 oder, mit anderen Worten, nach der überlagerten trapezförmigen Kurve, die mit ausgezogenen Linien in Fig. 2 eingezeichnet ist, stattfindet. Die überlagerten trapezförmigen Teile können als durch eine Modulationswelle erzeugt aufgefaßt werden, die nach Gleichrichtung in der Form der Welle wahrnehmbar wird, die in Fig. 3 dargestellt ist. Es soll indessen bemerkt werden, daß die Stärke des Modulationssignals am größten an derjenigen Stelle wird, die normalerweise einem Minimum der empfangenen Signalstärke entsprechen würde. Der maximale Modulationsgrad kann als

η λ

l/l—

2nR

(9)

ausgedrückt werden.

Fig. 4 gibt an, wie der maximale Modulationsgrad mit dem Abstände veränderlich ist. Denn der Modulationsgrad ist zum Unterschied von dem bei normaler, ungerichteter und vor allem nicht spiralgerichteter Funksendung von dem Abstande zwischen dem Sender und dem Empfänger abhängig. Hieraus folgt auch, daß der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger durch geeignete Mittel aus dem Modulationsgrad der empfangenen Welle bestimmt werden kann.

Zu diesem Zwecke versieht man den Empfänger nicht nur mit der für einen solchen Empfänger üblichen gerichteten Antenne, z. B. einer Rahmenantenne, sondern auch mit einer üblichen. Hii'fsantenne ungerichteter Art. Man erhält dann im Ausgangskreis des Empfängers eine Hochfrequenzspannung, die teils· eine niederfrequente Spannung, entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rahmens, und mit einer Amplitude, die der Antennenfläche der Rahmenantenne entspricht, teils auch eine niederfrequente Spannung mit einer Frequenz, entsprechend der Wechselfrequenz des· Senders, und mit einer Amplitude, die dem in dem betreffenden Abstande vorhandenen Modulationsgrad, entspricht, aufmoduliert trägt. Außerdem kommt von der ungerichteten Antenne eine vom Senderdrehfeld modulierte Hochfrequenzspannung. Die beiden Spannunigen werden einem Anzeigeinstrument besonderer Bauart zugeführt.

In Fig. 5 bezeichnet 17 die rotierende Rahmenantenne, welche durch einen Motor 19 über die Welle 18 in Drehung versetzt wird. Die ungerichtete feste Antenne ist mit 20 bezeichnet. Die Spannungen von 'den beiden Antennen werden einem Empfänger 21 mit zwei Kanälen zugeführt, deren 6g Verstärkung in einem festen Verhältnis steht. Die vom Empfänger gelieferte niederfrequente Schwingung, die von dem von der Antenne 17 ausgehenden Signal abhängig ist, wird über ein Filter 22 und einen Gleichrichter, möglichst Zweiweggleichriclv ter, der als eine Graetzbrücke 23 ausgeführt sein kann, der einen Wicklung 24 am Joch eines ferrodynamischen Meßinstruments 25 zugeführt, während die von der Antenne 20 kommende¹ Schwingung nach Verstärkung und Gleichrichtung als Niederfrequenz zuerst einem Fidter 26 und danach einer zweiten Gleichrichterbrücke 27 zugeführt wird, welche ebenso aufgebaut sein kann wie die Gleichrichterbrücke 23. Der von ihr gelieferte Gleichstrom wird der beweglichen Spule 28 des Meßsystems 25 zugeführt. Die Skala 29 des Instruments kann direkt in Einzelheiten des Abstandes zum Sender geeicht sein.

Damit dieses Instrument richtig anzeigt, ist es von Bedeutung, daß der Empfänger 21 eine praktisch genau konstante Ausgangsspannung liefert. Der Empfänger soll deshalb mit einer besonders wirksamen automatischen Verstärkungsregelung versehen sein.

Die Wicklung um das Joch. 24 bewirkt, daß die Empfindlichkeit des Instruments umgekehrt proportional der Spannung wird, die von der Drehung der Antenne 17 abhängt. Es ist dann unmittelbar der Formel (9) zu entnehmen, daß das Instrument einen Ausschlag geben wird, 'der eindeutig vom Abstande zwischen Sender und Empfänger abhängig ist oder, mit anderen Worten, vom Modulationsgrad, welcher seinerseits von dem Abstande eindeutig abhängig ist.

Das Instrument kann leicht derart vervollständigt werden, daß es nicht nur den Abstand vom Sender zum Empfänger, sondern auch die Peilung auf den Sender zu angilbt. Zu diesem Zwecke ist auf der Welle 18 ein Niederfrequenzgenerator 30 angeordnet, beispielsweise ein Zahnradgenerator, dessen 10g Frequenz durch den Umlauf der Rahmenantenne 17 bestimmt wird, indem eine gegebene Anzahl von Perioden der vom Generator 30 erzeugten Wechselspannung während einer Umdrehung der Rahmenantenne durchlaufen wird, so· daß diese Wechselspannung sich immer in einer gegebenen Phasenlage befindet, wenn die Rahmenantenne während ihrer Drehung eine vorausbestimmte Stellung passiert, z. B. die Stellung der Peilung Null. Die Spannung vom Generator 30 ist mit diem einen Spulensystem eines Phasenmeßinstruments 31 verbunden, das ein üblicher cos 95-Messer sein kann. Das andere Spulensystem wird von der von dem Verstärker 21 gelieferten niederfrequenten Spannung entweder vor oder hinter dem Filter 22 versorgt, welche von der Drehung des Rahmens 17 abhängig ist. Das Instrument 31 zeigt dann die Phasenverschiebung zwischen der Stellung des Rahmens 17 und der im Generator 30 erzeugten Spannung an; diese Phasenlage ist gleich der «5 Peilung auf den Sender zu. Der Generator 30 kann

vorteilhaft eine große Anzahl von Perioden während einer Umdrehung der Rahmenantenne durchlaufen oder, anders ausgedrückt, während eines· Umlaufs der Peilung. Infolgedessen kann.' das Instrument3i auch so stark beeinflußt werden, daß sein bewegliches Spulensystem eine Mehrzahl von Umdrehungen ausführt. Das Instrument müßte deshalb ziemlich kräftig sein, so daß es den vorhandenen Einstellbewegungen folgen kann, und es

ίο müßte außerdem mit einem Rechenwerk vereinigt werden zur genauen Angalbe der Zahl von Umdrehungen, welche während der Einstellbewegung von dem beweglichen Spulensystem des Instruments ausgeführt worden sind.

Die Erfindung gestaltet den Aufbau einer ein;-fachen Navigations anlage, die gleichzeitig mit hoher Genauigkeit sowohl die Peilung auf das drehende Funkfeuer zu wie den Abstand zu diesem Feuer zeigt oder, mit anderen Worten, in einem polaren Koordinatensystem die genaue Position angibt.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die oben im einzelnen beschriebene Ausführungsform der Anlage beschränkt, sondern verschiedene Abwandlungen können innerhalb des Rahmens der Erfindung nach Bedarf getroffen werden.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Empfangseinrichtung für Signale eines Funksenders mit Drehfeüd und spiralförmiger Feldverteilung, der während jeder Drehung häufig seine Bewegungsrichtung oder Phasenrichtung umkehrt, zur Bestimmung des Abstandes zum Sender, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine drehende Rahmenantenne oder andere Richtantenne (17) besitzt sowie eine feste ungerichtete Antenne (20), welche über· einen gleichrichtenden Verstärker (21) an das feste bzw. das drehbare System eines ferrodynamischen Meßinstruments (25) angeschlossen sind, dessen Skala vorzugsweise in Einheiten 'des Abstandes zum Sender (o) geeicht ist.
2. 2. Empfangseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Filter (22, 26) in jedem der beiden Ausgangskanäle des Empfängers eingeschaltet ist, welche die Schwingungen von der einen bzw. der anderen der Antennen (17, 20) zu den beiden Spülensystemen des Meßinstruments (25) übertragen.
3. 3. Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daßi je ein Gleichrichter (23, 27) in jedem der beiden Ausgangskanäle des Empfängers (21) eingeschaltet ist, welche die Schwingungen von der einen bzw. der anderen der Antennen (17, 20) zu den beiden Spulensystemen des Meßinstruments (25) übertragen.
4. 4. Empfangseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gleichrichter für Zweiweggleichrichtung ausgeführt sind, vorzugsweise in Graetzbrückenschaltung.
5. 5. Empfangseinrichtung nach einem der abigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Anpeilung des· Senders sich ein Tonfrequenizgenerator synchron mit der rotierenden Antenne (17) droht und mit dem einen Spulensystem eines Phasenmeßinstruments verbunden^ ist, 'dessen zweites Spülensystem mit demjenigen Kanal verbunden ist, der die verstärkte und demodulierte Schwingung von dem rotierenden Antennensystem (17) überträgt.
6. 6. Empfangseinrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß das phasenmessende Instrument ein cos φ - Meßinstrument ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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