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System zur Erzeugung eines Richtdiagrammes vorgegebener Form
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Her- vorbringung einer Richtstrahlung, insbesondere einer solchen, die für Funkbaken geeignet ist.
Bei Funkbaken für die Führung von Flug- zeugen auf einem vorgeschriebenen Kurs oder auf einer Landelinie ist es oft erwünscht,
Strahlungsdiagramme zu erzeugen, die eine besonders scharfe Anzeige der Kursabweichung ermöglichen. Diese scharfe Leitstrahlanzeige soll aber erzielt werden, ohne dass durch Neben- leitstrahlen falsche Kurse festgelegt werden, d. h. die Strahlungsenergien sollen sich überall ausserhalb der Leitzone hinreichend stark von- einander unterscheiden. Antennensysteme dieser
Art wurden bereits in einigen nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlägen behandelt.
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, ein Antennensystem und den zugehörigen
Speisekreis so auszubilden, dass die gewünschten
Strahlungsdiagramme mit möglichst wenigen
Strahlerelementen erreicht werden. Ferner gibt die Erfindung eine Speisung der Einzelantennen des Antennensystems an, durch die scharf ausgeprägte Richtdiagramme erhalten werden. Insbesondere werden nach der Erfindung die gewünschten Richtdiagramme für eine Funkbake durch eine besondere Art der Speisung einer unsymmetrischen Antennenreihe erzielt. Schliesslich befasst sich die Erfindung allgemein mit der Speisung der Einzelantennen einer Antennenreihe zwecks Erzeugung gewünschter Richtdiagramme.
Erfindungsgemäss ist ein System zur Erzeugung eines Richtdiagrammes vorgegebener Form, welches wenigstens zwei Antennengruppen sowie eine Quelle einer mit einem gegebenen Signal modulierten Trägerfrequenz für die erste und eine Quelle von Seitenbändern für die zweite Antennengruppe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antennengruppe eine Mehrzahl von in einer Geraden mit der ersten Gruppe und unsymmetrisch bezüglich derselben angeordneten Antennen umfasst,
dass eine erste Kopplungseinrichtung zur Zuführung der modulierten Trägerfrequenz zu der ersten Antennengruppe und eine zweite Kopplungs- einrichtung zur Zuführung der Seitenbänder zu jeder Antenne der zweiten Gruppe vor- gesehen sind und dass die relativen Phasen- verhältnisse der Speiseströme der beidenAntennen- gruppen und die wirksame Strahlungskopplung zwischen diesen mittels eines Phasenreglers ein- stellbar sind.
Ein besseres Verständnis der Aufgabenstellung und der Merkmale der Erfindung soll durch
Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnungen vermittelt werden, von denen Fig. 1 schematisch ein Antennensystem zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung und Fig. 2 ebenfalls schematisch eine einfache Funkbake nach der Erfindung darstellt. Fig. 3 zeigt die mit der Funkbake nach Fig. 2 erhaltenen Richtdiagramme. In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des
Speisekreises der Antennen wiedergegeben, welche der in Fig. 2 und in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel verwendeten Speisekreis ersetzen kann. Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine aus drei Strahlerelementen bestehende Antennenreihe, die an einen Speisekreis nach Fig. 2 oder Fig. 4 angeschlossen werden kann.
In Fig. 6 sind Richtdiagramme dargestellt, die beispielsweise mit der Bake nach Fig. 5 erhalten werden können, während Fig. 7 die Richtdiagramme eines üblichen, aus drei Strahlern bestehenden Antennensystems zeigt. Fig. 8 ist ein Blockschema eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem sechs Antennen in einer Reihe verwendet werden und das die Richtdiagramme nach Fig. 9 ergibt, Fig. 10 zeigt schliesslich die Richtdiagramme des gleichen Antennensystems für den Fall, dass dieses nicht mit Reflektoren ausgerüstet ist.
In Fig. 1 ist eine Antennenreihe dargestellt, deren mittlere Antenne als Bezugsantenne mit R bezeichnet ist. In einer Reihe mit R ist eine Mehrzahl von Einzelantennen ri, f, rg, r, r und rn in Abständen dl, d2, g, , , an- geordnet. Mit einer solchen Antennenanordnung
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lungen aller Einzelantennen dargestellt werden kann. Es ergibt sich daher für die Gesamtstrahlung die folgende Gleichung :
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In dieser Gleichung bedeutet T die Stromphase in den einzelnen Strahlern ; d1, d2 usw. sind die in Fig. 1 angegebenen Abstände, t ist die Zeit und to ist die Kreisfrequenz.
Die günstigste Arbeitsweise eines solchen Antennensystems als Funkbake erhält man, wenn die Phasen der im allgemeinen nur von den Seitenbändern gebildeten Ströme in den Hufsstrahlern beiderseits von R um 900 gedreht sind. Setzt man diesen Phasenwinkel in die Gleichung (1) ein und fasst man die Ausdrücke mit sin und cos zusammen, dann ergibt sich folgende Gleichung :
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In dieser Gleichung stellt das sin-Glied im allgemeinen die für das Antennensystem gewünschte Strahlungskomponente und das cosGlied eine im rechten Winkel dazu verlaufende unerwünschte Strahlungskomponente dar.
Einige Ausdrücke in dem cos-Glied sind wegen der Anordnung der Einzelantennen beiderseits der Bezugsantenne R negativ ; man erkennt daraus, dass das cos-Glied kleiner wird, wenn man die Einzelantennen beiderseits der Bezugsantennen anordnet. Der allgemeine Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf eine solche zweiseitige Anordnung der Einzelantennen beschränkt, vielmehr ist der Grundgedanke auch bei Antennensystemen anwendbar, bei denen die Einzelantennen durchwegs auf der gleichen Seite der Bezugsantenne liegen. Bei einer solchen Anordnung tritt jedoch in Kursrichtung (wenn also 0 = 00 ist) eine ziemlich grosse Strahlungskomponente auf, wodurch die Signalstärke in dieser Richtung erhöht wird.
Das hat zur Folge, dass die dem sin-Glied entsprechende Signalstärkeänderung bei Abweichung von der Leitlinie in der Nähe der Leitlinie perzentuell einen wesentlich kleineren Teil der gesamten Signalstärke ausmacht, d. h., dass die Kursanzeige unscharf wird.
Gemäss der Erfindung wird der mittlere
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dass die entsprechenden Ströme um 900 gegen den Seitenbandstrom in der mittleren Antenne phasenverschoben sind. Mit einer solchen Anordnung wird die gewünschte Bündelung der Richtstrahlung mit einer geringeren Anzahl von Antennen erhalten, als sie für eine vergleichbare Schärfe in einem vollkommen symmetrischen Antennensystem, beispielsweise bei dem in der amerikanischen Patentschrift Nr. 2,293. 694 beschriebenen Antennensystem, erforderlich wäre.
In Fig. 2 ist beispielsweise ein Antennensystem einfachster Bauart dargestellt, das nach dem Grundgedanken der Erfindung arbeitet.
Das Antennensystem ist samt dem Speisekreis für eine Funkbake gezeichnet, die einen Hochfrequenzgenerator 20 enthält, welcher die beiden Modulatoren 21 und 22 mit Trägerfrequenz speist. Diese Modulatoren dienen dazu, die Trägerfrequenz mit gewünschten Kennfrequenzen, z. B. wie bei den üblichen Funkbaken mit 90 und 150 Hz, zu modulieren. Die Modulatoren können beliebige Bauart haben, beispielsweise also mechanische Modulatoren oder Röhrenmodulatoren sein. An den Ausgang des Modulators 21 ist ein Diagonalpunkt 23 einer Brücke 25 angeschlossen, während der Ausgang des Modulators 22 auf den gegen- überliegenden Diagonalpunkt 24 dieser Brücke 25 wirkt.
Da die einzelnen Zweige der Brücke 25 gleiche Länge haben, setzen sich die Trägerund Seitenbandfrequenzen der Modulatoren 21 und 22 im Verbindungspunkt der Leitung 10 mit der Brücke 25, also an den Klemmen 26, phasengleich zusammen, so dass die Antenne 33 über ein Phasenregelglied 31 mit der Trägerfrequenz und den Seitenbändern der Mo- dulatoren 21 und 22 gespeist wird.
Gleichzeitig liefert die Brücke 25 am Verbindungspunkt 27 mit der Leitung 11 nur die
Seitenbänder, da der Träger wegen der Überkreuzungsstelle 28 in dem einen Zweig der Brücke 25 unterdrückt wird. Durch diese Überkreuzung werden auch die Seitenbänder vom Modulator 22 bezüglich der gleichen Seitenbänder, die über die Leitung 10 die Antenne 33 speisen, in der Phase umgepolt. Es wird also die Antenne 34 über die Leitung 11 und das Phasenregelglied 32 mit Seitenbändern gespeist, von denen eines jedoch gegenphasig zu dem entsprechenden Seitenband in der Antenne 33 ist. Wegen dieser Phasenbeziehung werden sich die von den Antennen 33 und 34 in einer bestimmten Richtung abgestrahlten Seitenbänder, die vom Modulator 21 kommen, addieren, während sich in der gleichen Richtung die vom Modulator 22 kommenden Seitenbänder subtrahieren werden.
Mit Hilfe eines der Phasenregelglieder 31 und 32 oder mit Hilfe beider kann sodann die richtige Phasenbeziehung der Ströme in den Antennen 33 und 34 hergestellt werden, um die gewünschten Richtdiagramme zu erhalten. Es empfiehlt sich im allgemeinen, diese Einregelung
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so vorzunehmen, dass die Seitenbänder in den
Antennen 33 und 34 um 90 0 gegeneinander phasenverschoben sind. Es kann sich jedoch hiebei erweisen, dass das Strahlungsdiagramm für die Trägerfrequenz wegen der Strahlungs- kopplung zwischen den Antennen 33 und 34 nicht die gewünschte Form hat. Um die richtige
Form dieses Diagrammes zu erreichen, ist auch in der Leitung 10 ein Phasenregelglied 31 vor- gesehen.
Durch eine nachträgliche Verstellung des Phasenregelgliedes 31 würden jedoch die bereits mit Hilfe des Phasenregelgliedes 32 eingestellten Richtdiagramme für die Seiten- bänder wieder gestört werden.
Um daher die Strahlungskopplung zwischen den Antennen zu berücksichtigen, ist es zweck- mässig, die beiden Phasenregelglieder 31 und 32 um den gleichen Betrag zu verstellen. Vorzug- weise wird das Phasenregelglied 32 so eingestellt, dass die Kombination der Leitung 11 und der
Antenne 34 für die von der Antenne 33 indu- zierten Signale eine so hohe Impedanz darstellt, dass zwischen den beiden Antennen keine wesent- liche Strahlungskopplung wirksam ist. Das
Strahlungsdiagramm für den Träger wird dann im wesentlichen die gleiche Form haben, wie wenn die Antenne 33 allein wirksam wäre. Es können also durch entsprechende Einregelung der Phasen-und Impedanzverhältnisse im Speise- kreis die gewünschten Strahlungsdiagramme er- halten werden.
In Fig. 3 sind die typischen Richtdiagramme dargestellt, die mit dem Antennensystem nach
Fig. 2 erhalten werden. Es ist beispielsweise angenommen, dass das Richtdiagramm 330 der resultierenden Strahlung des Trägers und der
Seitenbänder vom Modulator 21 und das Richt- diagramm 340 dem Modulator 22 entspricht.
Die mit dieser Bake festgelegten Kurse sind in der Abbildung mit 1-0-1 bezeichnet. Den in Fig. 3 dargestellten Richtdiagrammen sind zwei Einzelantennen gemäss Fig. 2 in einem Abstand von 1700 zugrunde gelegt. Es ergibt sich dabei eine Schneisenschärfe von 0 44 db für 1-5'Abweichung vom Kurs.
Anstatt die beiden Einzelantennen gemäss Fig. 2 gleichzeitig zu speisen, kann die Schaltung unterhalb der Linie A-A auch durch die in Fig. 4 dargestellte Schaltung ersetzt werden. Bei dieser Anordnung ist der Generator 20 für die Trägerfrequenz an getrennte Modulatoren 426 und 427 angeschlossen. Der Modulator 426 hat übliche Bauart und erzeugt also Träger und Seitenbänder, während der Modulator 427, der beispielsweise als Gegentaktmodulator ausgeführt sein kann, nur die Seitenbänder liefert. Ein Kennton wird auf irgendeiner Niederfrequenz, beispielsweise 1020 Hz, den beiden Modulatoren 426 und 427 vom Niederfrequenzgenerator 40 zugeführt. Der Ausgang des Modulators 426 ist über die Leitung 10 an die Einzelantenne 33 gemäss Fig. 2 angeschlossen.
Die Seitenbänder, welche vom Modulator 427 geliefert werden, wirken hingegen auf einen Umpolschalter 402 mit den beiden Schaltstellungen 11 a und 11 b, der mit Hilfe eines vom Taktgeber 400 gesteuerten Tastrelais 401 betätigt wird. Es werden daher die Seitenbänder, welche über die Leitung 11 der Antenne 34 zugeführt werden, abwechselnd in der Phase umgepolt, so dass sie sich im Strahlungsfeld abwechselnd zu den von der Antenne 33 abgestrahlten Seitenbändern addieren bzw. von diesen subtrahieren. Auf diese Weise erhält man abwechselnd die Strahlungsdiagramme, welche in Fig. 3 mit 330 und 340 bezeichnet sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem drei Einzelantennen verwendet sind, zeigt Fig. 5. Bei dieser Anordnung kann das gesamte Antennensystem an den im unteren Teil von Fig. 2 dargestellten Speisekreis oder an den periodisch umgeschalteten Speisekreis nach Fig. 4 angeschlossen werden, was durch die unterbrochene Linie A-A in der Zeichnung angedeutet ist. In der Abbildung sind die Einzelantennen als Rahmenantennen an Stelle von vertikalen Dipolen gemäss Fig. 2 wiedergegeben, es ist jedoch klar, dass Einzelantennen der einen oder anderen Art verwendet werden können und dass die jeweils hiefür gewählte Antennenform ohne Einfluss auf die prinzipielle Arbeitsweise der Erfindung ist.
Die modulierte Trägerfrequenz wird der Einzelantenne 534 in der bereits beschriebenen Weise über die Leitung 10 und das Phasenregelglied 31 zugeführt. Die von der Leitung 11 kommenden Seitenbänder werden hingegen zwei getrennten Einzelantennen 533 und 533 über eine verzweigte Leitung und Amplitudenregelglieder 501, 502 sowie Phasenregelglieder 532, 532 A zugeführt. Da bei dieser Anordnung die Seitenbänder zur Speisung getrennter Einzelantennen verwendet werden, ist es möglich, die Amplituden der Speiseströme in diesen Einzelantennen in bezug aufeinander und auf die Mittelantenne einzuregeln, ohne hiedurch die Anpassungsverhältnisse des Antennensystems zu beeinträchtigen und eine Kreuzmodulation zu bewirken.
Zur Anpassung des gesamten, von den Seitenbändern gespeisten Antennensystems an die Leitung 11 kann eine Anpassungsleitung 500 benutzt werden.
In diesem Falle kann wieder, ähnlich wie in dem einfachen Fall nach Fig. 3, die Stromphase den Einzelantennen 533 und 533 A bezüglich der Stromphase in der Mittelantenne 534 zur Erzeugung der gewünschten Richtdiagramme eingeregelt werden. Ferner kann auch nach Belieben eine Amplitudenregelung erfolgen, um die Form der Strahlungsdiagramme weiterhin zu beeinflussen. Auch ist es möglich, die Phasenregelglieder der Einzelantennen so einzustellen, dass die Antenne 534 nach Belieben eine
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Einzelantennen ausübt oder nicht.
Mit Hilfe dieser aus drei Elementen bestehenden Antennenanordnung erhält man eine Funkbake mit sehr scharf gebündelten Richtdiagrammen, die in
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dieser Mittelantenne 801 sind zwei symmetrische Einzelantennen 802 und 803 für die Seitenbänder angeordnet, die über eine an der Stelle 810 überkreuzte Verbindungsleitung sowie über ein Phasenregelglied 834 und ein Amplitudenregelglied 844 an die Leitung 11 angekoppelt sind.
Zusätzlich sind die unsymmetrisch angeordneten Einzelantennen 804, 805 und 806 für die Seitenbänder über Phasenregelglieder 831, 832 und 833 und Amplitudenregelglieder 841, 842 und 843 an die Leitung 11 angeschlossen. Bei dieser Anordnung können die Amplituden und Phasen der Ströme in den Einzelantennen wie bei den anderen Anordnungen in der früher beschriebenen Weise eingeregelt werden, um die gewünschten Richtdiagramme zu erhalten.
Es ist häufig erwünscht, die Richtdiagramme einer Funkbake unsymmetrisch zu gestalten, so dass der Leitstrahl in der einen Richtung durch eine wesentlich stärkere Strahlung gebildet wird als der in der entgegengesetzten Richtung. Zu diesem Zweck werden Reflektoren 811-816 vorgesehen, die im wesentlichen den Abstand einer Viertelwelle von den entsprechenden Einzelantennen 801-806 haben. Diese Reflektoren können mit Hilfe der einstellbaren Leitungen 821 bis 826 abgestimmt werden, um die gewünschte Reflektorwirkung zu erzielen. Mit Hilfe einer Stichleitung 800, die an die Leitung 11 angeschlossen ist, kann das gesamte Antennensystem für die Seitenbänder an diese Leitung angepasst werden, so dass das Gleichgewicht an der speisenden Brücke gewährleistet wird.
Typische Richtdiagramme, die mit einer Funkbake nach Fig. 8, aber ohne Reflektoren, erhalten werden, sind in Fig. 10 dargestellt.
In dieser Abbildung sind die beiden einander überlappenden Richtdiagramme mit 830 und 840 bezeichnet und bilden eine sehr scharfe Schneise entlang der Linie 301-0-301. Um diese Richtdiagramme zu erhalten, wurden folgende Abstände zwischen den verschiedenen Einzelantennen gewählt : die Antennen 802 und 803 sind je 160 elektrische Grade gegen dieAntenne801 versetzt ; die Antenne 804 hat einen Abstand von 495 elektrischen Graden und die Antenne 805 einen Abstand von 1170 elektrischen Graden von der Antenne 801 ; die Antenne 806 ist schliesslich im Abstand von 800 elektrischen Graden bezüglich der Antenne 801 angeordnet.
Das Verhältnis der Speiseströme für die mit den Seitenbändern gespeisten Strahler ist folgendermassen gewählt : 0-5 für die Antennen 802 und 803, 0-45 für die Antenne 804, 0. 448 für die Antenne 806 und 0-310 für die Antenne 805. Diese Stromverteilung unter den einzelnen Strahlern ist, wie bereits erwähnt, durch entsprechende Einstellung der Amplitudenregelglieder 841-844 zu erzielen.
Zahlreiche andere Arten von Antennenreihen, die nach dem Grundgedanken der Erfindung arbeiten, sind für den Fachmann nach den erläuterten Grundsätzen ohne weiteres zu finden.
Es lassen sich im Rahmen der Erfindung ausserdem
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an einigen Beispielen geschilderten noch zahlreiche andere Abänderungen vornehmen und es sei besonders darauf hingewiesen, dass als Mittelantenne nach Belieben auch eine Antennengruppe an Stelle der in allen Fällen dargestellten Einzelantennen verwendet werden kann.
In ähnlicher Weise können eine, mehrere oder alle übrigen Antennen durch Antennengruppen oder durch irgendeinen anderen Strahlertyp ersetzt werden. Die Richtwirkung des gesamten
Antennensystems kann durch Änderung der
Richtwirkung der einzelnen Antennenelemente beeinflusst werden. Alle diese Einflüsse sind im wesentlichen durch die im ersten Teil der
Beschreibung wiedergegebenen Gleichungen erfassbar, indem man sowohl die Elementencharakteristik der einzelnen Strahler als auch die Amplituden und Phasen der Speiseströme darin berücksichtigt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. System zur Erzeugung eines Richtdiagrammes vorgegebener Form, welches wenigstens zwei Antennengruppen sowie eine Quelle einer mit einem gegebenen Signal modulierten Trägerfrequenz für die erste und eine Quelle von Seitenbändern für die zweite Antennengruppe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Antennengruppe (34) eine Mehrzahl von in einer Geraden mit der ersten Gruppe (33) und unsymmetrisch bezüglich derselben angeordneten Antennen umfasst, dass eine erste Kopplungseinrichtung (25, 10) zur Zuführung der modulierten Trägerfrequenz zu der ersten Antennengruppe und eine zweite Kopplungseinrichtung (25, 11)
zur Zuführung der Seitenbänder zu jeder Antenne der zweiten Gruppe vorgesehen sind und dass die relativen Phasenverhältnisse der Speiseströme der beiden
Antennengruppen und die wirksame Strahlung- kopplung zwischen diesen mittels eines Phasen- reglers (z. B. 31) einstellbar sind.