DEC0010370MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 17. Oktober 1953 Bekanntgemacht am 16. August 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektromagnetischen Rückstrahlortung mit sägezahnförmig frequenzmodulierten Ultrahochfrequenzschwingungen und mit Richtstrahlschwenkung durch frequenzabhängige elektrische Prismen, die den Richtantennen vorgesetzt sind. Solche Anordnungen sind an sich bekannt.

Es ■ können dabei beliebige Prismen verwendet werden, deren Ablenkwinkel mit der Frequenz veränderlich ist. Ein solches, anderweit vorgeschla-. genes, besonders geeignetes Prisma besteht aus einer Anzahl von senkrecht oder annähernd senk ■ recht zur Fortpflanzungsrichtung der einfallenden Wellen hintereinander angeordneten Metallplatten, deren Abstände in derselben Größenordnung wie die verwendete Wellenlänge liegen und deren Dicke sehr klein gegen die Wellenlänge ist, während ihre Länge und Breite erheblich großer als die Wellenlänge ist. Die Platten sind mit Löchern versehen, deren Abmessungen und Anordnung so gewählt

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sind, daß unter Berücksichtigung der Beugungserscheinungen die gewünschte Ablenkung der Wellenfronten eintritt. Wenn auf ein solches Prisma eine Welle mit veränderlicher Frequenz fällt, tastet das durchgelassene Wellenbündel den Raum jenseits des Prismas in einem gewissen Winkelbereich ab, obwohl das einfallende Wellenbündel vollkommen fest bleibt.

Bei der Rückstrahlortung, die von solchen Prismen Gebrauch macht, ergibt sich der Peilwinkel aus der Frequenz der empfangenen Schwingungen. Es liegt auf der Hand, die Frequenzmodulation zugleich zur Entfernungsmessung unter üblicher Auswertung der Differenzfrequenz von gesendeter und empfangener Welle mitheranzuziehen. Nachteilig ist jedoch dabei die' Mehrdeutigkeit der Messung, wodurch die von nahen Hindernissen herrührenden Echos schwer von den Echos zu trennen sind, die von entfernten Hindernissen kommen.

Dies wird gemäß der Erfindung vermieden, indem in jener Anordnung zur Rückstrahlortung bei gleichzeitiger Entfernungsmessung aus der Differenzfrequenz von gesendeter und reflektierter Welle die Sende- bzw. Empfangsantenne mit zugehörigen Prismen an den Enden einer Meßbasis angeordnet und das Sende- sowie das Empfangsprisma derart gegeneinander neigbar sind, daß die Schnittstelle ihrer Richtcharakteristiken ringförmige, durch Prismenabstand und -neigung festgelegte Gebiete bestreicht und die Messung auf darin befindliche Ziele beschränkt.

Die Prismen können eine motorische Schwenkbewegung erfahren, bei der sie um gleiche Winkel gegeneinander geneigt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Hierin zeigt

Fig. ι schematisch in schaubildlicher Darstellung ein bei der Erfindung zu verwendendes, anderweit vorgeschlagenes Prisma,

Fig. 2 die Projektion des Prismas aus Fig. 1 auf die sOx-Ebene,

Fig. 3 die Projektion einer anderen Platten-, anordnung des Prismas aus Fig. 1 auf die zOx-Ebene,

Fig. 4 schematisch eine Anordnung zur elektromagnetischen Ortung von Hindernissen mit frequenzmodulierten Wellen und unter Verwendung von Prismen und

Fig. 5 eine besondere Arbeitsweise der Empfangs- und Sendeantennen der Anordnung aus Fig. 4.

Das bei der Erfindung zu verwendende Prisma beruht auf der Erscheinung der Beugung elektromagnetischer Wellen.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, besteht ein an sich anderweit vorgeschlagenes Prisma aus mehreren Metallplatten, die hintereinander in der Oa-Richtung angeordnet sind. Auf der Platte P₁ sind die Linien X₁-X₁. ■ ■ ■ χ_η-^χή ^ünd 3'γ3Ί' · · · JwVn gezeichnet, die ein Karomuster bilden, dessen Seite C₁-C₂ erheblich größer als die Wellenlänge λ der abzulenkenden Wellen ist. Diese Platte P₁ ist mit runden Löchern versehen, deren Mittelpunkte auf den Schnittpunkten der Linien des erwähnten Karomusters liegen. Die Löcher mit Mittelpunkten auf den Linien J₁-J₁ . . ■ y„-y_n' haben gleiche Durchmesser, während diejenigen mit Mittelpunkten auf den Linien X₁-X₁ . . . X_n-X_n' Durchmesser haben, die stetig von links nach rechts abnehmen. Die Löcher mit Mittelpunkt auf der Linie J₁-J₁ haben den größten Durchmesser, der jedoch kleiner als / ist. Die anderen Platten P₂ und P_s sind ebenso ausgeführt wie die Platte P₁.

Wenn eine elektromagnetische Welle, die sich in der Oz-Richtung ausbreitet, die Vorderseite der Platte P₁ erreicht, treten Beugungserscheinungen auf.

Die elektromagnetische Energie durchdringt die Löcher der Platte P₁, und hinter ihr bildet sich eine 80 neue Wellenfläche. Die Löcher erteilen dem gebeugten Teil der Wellenfläche eine Phasenvoreilung, die bei den Löchern sehr großen Durchmessers Null ist und bei den Löchern mit unendlich kleinem

Durchmesser — beträgt. Unter diesen Umständen

ist eine einfallende ebene Wellenfläche ,S₁ (Fig. 2) nach Durchgang durch die Platte P₁ in eine praktisch ebene Wellenfläche ,S₂ übergegangen, die um einen Winkel Θ gegen die Wellenfläche S₁ geneigt ist. Dies ist einer Änderung der Ausbreitungsrichtung gleichwertig, die jetzt Oz wird, d. h. man beobachtet eine Ablenkung der Welle, die der mit einem brechenden Prisma in der klassischen Optik erreichten entspricht. Die Welle durchläuft S5 ebenso die anderen Platten, die ebenfalls die erwähnte Welle ablenken. Im Endergebnis erhält man eine erhebliche Gesamtablenkung, die eine Resultierende der aufeinanderfolgenden Ablenkungen an den verschiedenen Platten darstellt. 1°°

Der Brechungswinkel sOwie der Reflexionskoeffizient einer Platte hängen ab von den Durchmessern der Löcher, von der Wellenlänge λ, von der Anzahl der Löcher und ihrer Verteilung auf der Platte.

Die Herrichtung einer Platte für ihren Verwendungszweck wird man durch Rechnung und Versuche derart vornehmen, daß eine Welle, die als Trägerfrequenz dienen soll und deren Wellenlänge λ ist, mit einem Minimum an Verzerrung der Wellen- no fläche um einen maximalen Winkel Θ abgelenkt wird. Man wird diese Herrichtung so durchführen, daß die Platte einen Durchlaßkoeffizienten hat, der möglichst nahe an 1 herankommt. Die Herabsetzung der Reflexionen wird begünstigt durch Verwendung mehrerer Platten, deren gegenseitige Stellung in geringem Maße verstellt werden kann, um die Anordnung anzupassen.

Ein solches Prisma kann natürlich eine beliebige Anzahl von Platten umfassen, beispielsweise fünf, sechs oder sieben. .

Die quadratische Form der Platten (Fig. 1) ist nicht unbedingt notwendig. Die Platten können auch rund oder rechteckig sein, aber die Verteilung der Löcher muß der bei Fig. 1 beschriebenen entsprechen, und die kleinste Abmessung der Platte

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muß groß gegen λ sein. In der Praxis wird eine quadratische Platte beispielsweise eine Seitenlänge oberhalb ίο λ aufweisen.

Die Löcher können auch oval oder quadratisch sein. Jedoch ist die runde Form am vorteilhaftesten sowohl in bezug auf die mechanische Ausführung als auch in bezug auf die Arbeitsweise.

Will man eine sehr breite Wellenfläche ablenken, so kann man Platten verwenden, bei denen die auf

ίο den Linien X₁-X₁' . . . X_n-X_n' gelegenen Löcher in mehreren Serien nebeneinander angeordnet sind. Jede dieser Serien besteht aus Löchern von abnehmendem Durchmesser (Fig. i). Die Löcherserien sind so verteilt, daß dem kleinsten Loch einer Serie das größte Loch der folgenden Serie nachfolgt. Man erzielt so ein Stufenprisma.

Anstatt die Platten P₁, P₂ und P₃ einander parallel anzuordnen (Fig. 1 und 2), kann man sie derart gegeneinander neigen (Fig. 3), daß jede Platte stets von vorn durch eine Welle getroffen wird, welche die Platte P₁ von vorn getroffen hat.

Natürlich kann man veränderliche Abstände zwischen den Platten in O^-Richtung oder die Verwendung verschiedener zusammengebauter Prismen oder auch die Verwendung verschiedener Platten in 0,3-Richtung vorsehen. Schließlich kann man ebenso durch Verwendung von Öffnungen, deren Durchmesser in O^-Richtung variieren, eine gemischte Anordnung erhalten (Linsenprisma), die in der horizontalen Ebene ablenkt und. in der vertikalen Ebene fokussiert.

Der Brechungswinkel eines solchen Prismas ändert sich mit der Neigung des Prismas gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Welle. Dies kommt von der Änderung der scheinbaren Durchmesser der Löcher in den Platten gegenüber der einfallenden Welle in Abhängigkeit von der erwähnten Neigung. Ferner ändert sich der Brechungswinkel eines gegebenen Prismas mit der Frequenz (und darum mit X) der einfallenden Welle, denn die Änderung der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz ist für die kleinen Löcher größer als für die größeren Löcher. Darum tastet bei Verwendung einer Welle mit veränderlicher Frequenz das durchgelassene Wellenbündel den Raum jenseits des Prismas in einem gewissen Winkelbereich ab, während das einfallende Wellenbündel voll-■ kommen festbleibt.

Diese Eigenschaft eines solchen oder anderen Prismas wird in der unten beschriebenen Anordnung ausgenutzt. Diese Anordnung ist ein Radargerät mit Frequenzmodulation, dessen Arbeitsweise an sich bekannt ist.

Ein solches Radargerät mit Frequenzmodulation

(s. Fig. 4) umfaßt einen Sender E, der die in an sich bekannter Weise sägezahnförmig frequenzmodulierte Ultrahochfrequenz erzeugt, und einen Empfänger R, der zugleich die vom Sender ausgesandte Welle und die von einem Hindernis herrührende Echowelle auffängt. Die beiden Wellen ■- werden in R überlagert, und aus der Frequenz der Schwebungswelle kann die Entfernung des Hindernisses festgestellt werden.

Der Sender E und der Empfänger R sind mit einer Send'erichtantenne AE bzw. Empfangsrichtantenne AR ausgerüstet. Vor jeder dieser Antennen ist ein Prisma ·— z. B. der oben beschriebenen Form —■ angeordnet, das Prisma PE vor der Antenne AE und das Prisma PT? vor der Antenne AR.

Zunächst sei angenommen, daß die beiden Prismen und die beiden Antennen parallele Achsen haben. Die Prismen sind so aufgebaut, daß sie die Form der Strahlungsdiagramme der Antennen nicht beeinflussen, sondern nur diese Diagramme abhängig von der Frequenz schwenken.

In Fig. 4 sind diese Prismen im Schnitt gezeichnet. Sie sind in der Figur nach oben gerichtet. O₁ und O₂ bedeuten den Mittelpunkt des Prismas PE bzw. denjenigen von PR. 0,_; ist dsr Mittelpunkt der Strecke O₁-O₂. Die Prismen PE und PR sind parallel, zueinander angeordnet und lassen sich durch eine Verschiebung längs der durch O₁-O₂ bestimmten Geraden zur Deckung bringen.

Unter diesen Umständen verlagert sich das Richtdiagramm der 'Sendeantenne in der Zeichnungsebene, wenn die Frequenz der ausgesandten Welle sich ändert, und tastet einen Winkelraum ab. Da die Prismen PE und PR übereinstimmen und, wie oben erläutert, angeordnet sind, sind in jedem Augenblick die Achsen der Richtstrahldiagramme der beiden Antennen parallel. Wenn die Diagramme unendlich schmal wären, könnte man theoretisch nur die unendlich fernen Punkte D₁, D₂ entdecken, da die Hindernisse in endlicher Entfernung nach AR eine Welle zurückschicken würden, die von der abweichend ausgerichteten Empfangsrichtcharakteristik nicht aufgenommen würde.

In Wirklichkeit haben die Strahlenbündel einen gewissen Öffnungswinkel, und die Rechnung ergibt die geringste Entfernung d_min des Punktes O₃ von einem Punkt A, von dem man ein Echo empfangen kann, zu

wobei α gleich O₁-O₂ und ε gleich dem Öffnungswinkel des Strahlungsdiagramms ist, der für 20 db Dämpfung definiert ist.

Alle Punkte, die in einer geringeren Entfernung als d_min liegen, reflektieren Echos, die im Emp- n» fänger mindestens 40 db gedämpft sind. Bei einer Neigung der beiden Antennen und damit der Prismen um einen Winkel α gegeneinander, wobei jede

von ihnen um den Winkel — gegen O₁-O₂ geneigt

wird (s. Fig. 5), gestattet es die Anordnung jedoch im Sinne der Erfindung, diejenigen Hindernisse A₁ zu orten, die auf einem Kreisbogen liegen, der durch O₁ und O₂ geht und von dem aus die Sehne O₁-O₂ unter einem Winkel 2 α erscheint.

Infolgedessen kann man durch Veränderung von α ringförmige Räume mit verschiedenen Radien ausloten. Der ganze ausgelotete Raum wird so in Ringbereiche aufgeteilt, die bestimmt sind durch Kreise, die durch O₁ und O₂ gehen und deren Mittelpunkte auf der in O₃ errichteten Senkrechten

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auf O₁-O₂ liegen. Die Anordnung erlaubt also einen Selektivempfang der Echos.

In Fig. 5 sind Antriebsmittel M₁ und M₂ dargestellt, die durch die Verbindung G₃ synchronisiert werden und über die Übertragungsmittel G₁ und G₂ auf die Prisment PE und PR wirken. Diese Mittel bewirken eine Verschwenkung der beiden Prismen um O₁ bzw. O₂ zwischen einem Winkel Null und einem Maximalwinkel a_max, derart, daß in jedem

ίο Augenblick PE und PR um einen entgegengesetzt gleichen Winkel O₁-O₂ geneigt sind. Diese Schwenkbewegung geht in einem langsameren Takt vor sich als die Wiederkehr der Sägezähne des im Sender verwendeten Modulationssignals.

Wenn die Anordnung einen kleinen Winkelsektor auslotet, genügt es, wie oben angedeutet, die Prismen allein zu schwenken und die Antennen AE und AR festzulassen. Wenn jedoch der ausgelotete Winkelsektor groß ist, werden die Antriebsmittel M₁ und M₂ auf die Gesamtanordnung von Prisma und Antenne wirken, wobei die letzteren beiden gegeneinander festbleiben. · '

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Anordnung zur elektromagnetischen Rückstrahlortung mit sägezahnförmig frequenzmodulierten Ultrahochfrequenzscrnvingungen und mit Richtstrahlschwenkung durch frequenzabhängige elektrische Prismen, die den Richtantennen vorgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei üblicher Entfernungsmessung aus der Differenzfrequenz von gesendeter und reflektierter Welle die Sende- bzw. Empfangsantenne mit zugehörigen Prismen an den Enden einer Meßbasis angeordnet und das Sende- sowie das Empfangsprisma derart gegeneinander neigbar sind, daß die Schnittstelle ihrer Richtcharakteristiken ringförmige, durch Prismenabstand und. -neigung festgelegte Gebiete bestreicht und die Messung auf darin befindliche Ziele beschränkt.
2. 2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen eine motorische Schwenkbewegung erfahren, bei der sie um gleiche Winkel gegeneinander geneigt werden.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen aus einer Anzahl von senkrecht oder annähernd senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der einfallenden Wellen hintereinander angeordneten Metall platten bestehen, deren Abstände in derselben Größenordnung wie die verwendete Wellen- ' länge liegen und deren Dicke sehr klein gegen die Wellenlänge ist, während ihre Länge und Breite erheblich größer als die Wellenlänge ist, und daß die Platten mit Löchern versehen sind, deren Abmessungen und Anordnung so gewählt sind, daß unter Berücksichtigung der Beugungserscheinungen die gewünschte Ablenkung der <5o Wellenfronten eintritt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 579813.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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