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Empfangs anordnung für ein Drehfunkfeuer Die Erfindung bezieht sich
auf eine Empfangsanordnung für Drehfunkfeuer, bei der die Richtungsbestimmung durch
Phasenvergleich zwischen einer Richtungs- und Bezugswelle erfolgt.
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Bei derartigen Navigationssystemen rotiert ein gerichtetes Strahlungsdiagramm
mit einer bestimmten Umlaufzahl, so daß an einem beliebigen Empfangsort eine Amplitudenmodulation
der empfangenen Energie erzeugt wird, deren Frequenz durch die Umlaufzahl des Diagramms
bestimmt ist. Diese durch die Umdrehung erzeugte Welle kann Umhüllende oder Peilwelle
genannt werden. Ferner wird eine Bezugswelle als Modulation mit einer solchen Frequenz
übertragen, die mit der genannten Umhüllenden übereinstimmt und mit ihr in fester
Phasenbeziehung steht.
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Es ist klar, daß die Phasenbeziehung zwischen der Umhüllenden und
der Bezugswelle von der Richtung des Beobachtungsortes zum Funkfeuer abhängt. Die
Phasenbeziehung ist so gewählt, daß für einen bestimmten Azimut, z. B. die Nordrichtung,
die Umhüllende und die Bezugswelle in Phase sind. Somit läßt sich der Standort eines
Fahrzeuges in bezug auf das Funkfeuer durch einen Phasenvergleich dieser beiden
Wellen bestimmen.
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Bei Systemen, die längere Wellenlängen benutzen, ist im allgemeinen
eine elektronische Rotation des Richtdiagramms gebräuchlich, weil der Antennenaufbau
zu groß ist, als daß er zur Erzeugung einer brauchbaren Umhüllenden in genügend
schnelle Rotation versetzt werden könnte.
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Bei sehr kurzen Wellen bzw. höheren Frequenzen, z. B. bei einigen
tausend MHz, ist eine physikalische Drehung möglich. Diese ist auch erwünscht, weil
dabei Peilfehler vermieden werden, die bei Systemen mit Phasenrotation auftreten
können.
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Beim Vergleich einer Sinuswelle der Rotationsfrequenz, die z. B.
durch Rotation eines kardioidenförmigen Diagramms entsteht, mit einer entsprechenden
Bezugswelle ändert sich der Phasenunterschied über gewisse Teile des Winkelbereiches
nur langsam, und es ergibt sich daher nur eine geringe Empfindlichkeit der Richtungsbestimmung.
Ein solches System ist auch in diesen Teilen des Winkelbereiches mit durch reflektierte
Energie entstandenen Fehlern behaftet.
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Um dies zu vermeiden, sind Hilfsmittel vorgesehen, um dem Diagramm
harmonische Verzerrungen zu geben. Das wird beispielsweise dadurch erreicht, daS
um die Hauptantetme in gewissem Abstand Reflektoren angeordnet sind, die rotieren
und so ein mehrblättriges rotierendes Diagramm erzeugen. Mit Hilfe dessen wird empfangsseitig
durch Phasenvergleich mit ebenfalls vom Funkfeuer übertragenen Bezugsfrequenzen
eine Grob- und Feinmessung des Azimuts vorgenommen.
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Derartige Navigationssysteme sind seit langer Zeit bekannt. Sie arbeiten
empfangsseitig mit einem für die Grob- und Feinmessung gemeinsamen Phasenvergleichsgeät,
dessen einzelne Teile mittels mechanischer Kupplungen über Getriebe verbunden sind,
und so ein einziges Anzeigegerät betätigen können.
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Bei einem bekannten Empfangs- bzw. Phasenvergleichsgerät erfolgt
mittels eines Relais eine Umschaltung von der Grob- zur Feinmessung zu dem Zeitpunkt,
in dem mittels der Grobmessung die Phase annähernd auf den richtigen Wert imerhalb
eines gewissen Winkelbereiches eingestellt worden ist, beispielsweise 100, der innerhalb
des maximalen Bereiches der Feinmessung liegt. Die Grob- und Feinmessung erfolgen
dabei also zeitlich nacheinander.
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Es ist auch in Verbindung mit Empfangsanlagen für die Funkuavigation
eine Phasenvergleichseinrichtung bekannt, die im wesentlichen aus zwei um 900 gegeneinander
versetzten, fest angeordneten Spulen und einer drehbaren Spule besteht, also eine
Art Goniometeranordnung darstellt. In Verbindung mit einem je nach der Richtung
verschiedene Frequenzen anssendenden Funkfeuer erfolgt mittels dieser Einrichtung
nur eine Grobmessung des Azimuts.
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Die Erfindung betrifft eine Empfangsanordnung für ein Drehfunkfeuer,
welches unter Verwendung eines rotierenden - im Sinne einer erhöhten Genauigkeit
der Azimutbestimmung durch Phasenvergleich am Empfangsort - mehrblättrigen Richtdiagramms
Richtungs- und Bezugssignale einer Grundfrequenz und mindestens einer Harmonischen
dieser Grundfrequenz aus sendet, bei welcher zur Erzielung einer Anzeige über die
Einhaltung eines vorgegebenen Kurses die Richtungs- und Bezugssignale voneinander
getrennt und einem für die Grundwelle und die Harmonischen gemeinsamen Phasenvergleichsgerät
mi
nachfolgender Anzeigeeinrichtung zugeführt werden, und ist dadurch
gekennzeichnet, daß die voneinander getrennten Bezugssignale je einer an sich bekannten,
aus zwei um 900 versetzten, fest angeordneten und einer drehbaren Spule bestehenden
Phasendrehanordnung zugeführt werden und daß die Achsen der drehbaren Spulen über
Getriebe derart miteinander gekuppelt sind, daß der Phasenabgleich für die Richtungs-
und Bezugssignale der Grundfrequenz und der Harmonischen mit nur einem einzigen
Betätigungsorgan ermöglicht ist.
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Mit der Empfangsanordnung gemäß der Erfindung ist zur Genauigkeitssteigerung
der Azimutmessung der Phasenvergleich zwischen Grundwelle und mehreren ihrer Harmonischen
und entsprechend vom Funkfeuer ausgesendeten Bezugssignalen in besonders einfacher
Weise durchführbar.
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Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher erläutert; Fig.
1 zeigt die schematische Darstellung eines Funkfeuers; Fig. 2 zeigt den Aufbau eines
Senders eines solchen Funkfeuers; Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Empfängers mit der
Einrichtung zum Phasenvergleich gemäß der Erfindung; Fig. 4 zeigt das Strahlungsdiagramm
eines derartigen Funkfeuers; Fig. 5 zeigt den Verlauf der Spannung hinter dem Gleichrichter
im Empfänger nach Fig. 3; Fig. 6 zeigt den vom Indikator angezeigten Kursverlauf.
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Ein Funkfeuer gemäß der Fig. 1 besteht aus einem Sender, der symbolisch
durch den Antennenturm 1 dargestellt wird. Dieser Sender strahlt ein bestimmtes
Diagramm aus, das z. B. die in Fig. 4 gezeigte Form haben kann. Dieses Strahlungsdiagramm
wird rund gestrahlt, wobei die Rundstrahlung entweder durch mechanische Drehung
der Antenne oder durch eine stetige Phasenänderung erreicht wird. Die ausgestrahlte
Energie wird durch einen Beobachter, wie er z. B. durch das Flugzeug 2 in der Fig.
1 dargestellt ist, aufgenommen.
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Der Aufbau des Senders des Funkfeuers wird in Fig. 2 gezeigt. Er
enthält ein Antennensystem 3, das von einem Sender 4 her mit einer Trägerfrequenz,
z. e. 1000 MHz, eingespeist wird. Diese Trägerfrequenz des Senders wird moduliert
Im vorliegenden Fall geschieht das durch die Bezugssignale f , f, und f,: die von
den Generatoren 5, 6 und 7 geliefert werden und z. B. 90, 270 und 450 Hz betragen.
Mit diesen Bezugssignalen werden die von den Oszillatofen 8, 9 und 10 erzeugten
Subträger von 100, 120 und 140 kHz frequenzmoduliert. Die frequenzmodulierten Sub
träger liefern somit ein Bezugssignal, das von allen Empfängern unabhängig von ihrer
räumlichen Lage aufgenommen werden kann. Die Signale der Oszillatoren 8, 9 und 10
werden gemeinsam über Entkopplungswiderstände 13, 14 und 15 dem Modulator 12 zugeführt,
in dem wiederum die vom Oszillator 11 kommende Trägerfrequenz des Funkfeuers amplitudenmoduliert
wird.
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Um eine Drehung des Strahlungsdiagramms zu erhalten, wird das Antennensystem3
durch den Synchronmotor l6 mechanisch gedreht. Mit Hilfe der mechanischen Verbindung
17 treibt dieser Motor 16 ehenfalls die Generatoren 5, 6 und 7 zur Erzeugung des
Bezugssignals. Die Antennenanordnung 3 rotiert mit einer Geschwindigkeit von 5400
U/Min., und es wird ein entsprechendes 90-Hz-Signal im Generator 5
erzeugt, das mit
der Umdrehung der Antenne streng svnchronisiert ist.
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Die Antennenanordnung 3 besteht aus mehreren Antennenelementell,
dem mittleren Strahler 18 und den beiden Seitenstrahlern 19 und 2û. Die Strahler
19 und 20 werden vom Oszillator 11 direkt mit Energie gespeist und erzeugen im Zusammenhang
mit Strahler 18 das rotierende Strahlungsdiagramm. Es ist nur notwendig, die äußeren
Strahler rotieren zu lassen, da der Mittelpunkt des rotierenden Feldes mit dem Mittelstrahler
18 zusammenfällt. Die drei Strahler können sogenannte Alford-Rahmen sein, die eine
horizontal polarisierte Abstrahlung besitzen. Die Mittelantenne wird durch den Träger,
der mit den Subträgern moduliert ist, eingespeist. Die Subträger selbst enthalten
die Modulation mit den Bezugssignalkomponenten. Die Speisung erfolgt über ein Brückennetzwerk
21. Der Abstand der einzelnen Strahlerelemente voneinander und ihre relative Amplitude
sind so eingestellt, daß die gewünschte Diagrammform erhalten wird. Ein Empfänger
kann damit Signale veränderlicher Amplitude mit der Frequenz des Bezugssignals aufnehmen.
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Gemäß einer bekannten Ausführungsform sind die Auflenstrahler 165
elektrische Grade vom Mittelstrahler entfernt aufgestellt und in Gegenphase gespeist.
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Die Amplitude der eingespeisten Energie für die Außenstrahler ist
in bezug auf den Mittelstrahler klein, um im Strahlungsdiagramm tiefe Nullstellen
zu vermeiden. Sie beträgt z. B. ein Fünfundzwanzigstel der dem Mittelstrahler zugeführten
Energie.
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Der Empfänger, dessen Aufbau Fig. 3 zeigt, befindet sich z. B. in
einem Flugzeug. Er enthält eine Empfangsantenne 22, eine Mischstufe 24 und einen
Überlagerungsoszillator 23. Die in der Mischstufe 24 transponierte Empfangsfrequenz
gelangt über die Zwischenfrequenzstufe 25 an den Detektor 26, der an seinen Ausgang
ein tonfrequentes Signal liefert, dessen Amplitude auf Grund der Drehung des empfangenen
Diagramms moduliert ist. Außerdem sind in seinem Ausgang die Subträger für die drei
Bezugssignale enthalten. Jeder Subträger enthält dabei ein Bezugssignal in Form
einer Frequenzmodulation.
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Hinter dem Detektorausgang werden diese verschiedenen Signalkomponenten
getrennt. Das tonfrequente Signal, das der Drehung der Sendeantenne entspricht,
gelangt über denVerstärker 27 zum Phasenvergleichsgerät 28. Die Subträger werden
durch die drei Filterverstärker 29, 30, 31, die gleichzeitig einen Gleichrichter
und eine Begrenzerstufe enthalten, getrennt.
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An ihren Ausgängen entstehen somit wieder die ursprünglichen Bezugsfrequenzen
fl, f3 und fS.
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Jede dieser Frequenzen erregt zwei um 900 versetzte Statorwicklungen
32, 33; 34, 35; 36, 37. Zu je zwei Statorwicklungen gehört ein Rotor 38, 39 und
40. Die in diesen Rotoren induzierten Spannungen werden ebenfalls dem Phasenvergleichsgerät
28 zugeführt. Die drei Rotoren sind über die Verbindungen 41,42 und 43 und die Getriebe
44 und 45 mit Hilfe des einstellbaren Drehknopfes 46 drehbar. Die Getriebe 44 und
45 sind so gewählt, daß bei einer Umdrehung des Rotors 38 der Rotor 39 drei und
der Rotor 40 fünf Umdrehungen macht. Damit ist die richtige Phasenlage der Harmonischen
der Bezugssignale zu ihrer Grundfrequenz gegeben. Der Knopf 46 wird so eingestellt,
daß für einen bestimmten Kurs die richtige Phasenbeziehung zwischen der Bezugswelle
und der vom Phasenvergleichsgerät 28 gelieferten Welle besteht.
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Das Phasenvergleichsgerät 28 enthält einen Eingangstransformator
47,
dessen Sekundärseite über die Gleichrichter 48 und 49 mit den Widerständen 50 und
51 belastet ist. Zwischen dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators
47 und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Belastungswiderständen 50 und 51
liegen die Transformatoren 52, 53 und 54, über die die Bezugssignale in das Phasenvergleichsgefät
eingespeist werden. Über die Widerstände 50 und 51 ist das Meßgerät55 geschaltet,
das den Phasenwinkel mißt und damit eine Kursanzeige ermöglicht. Die Genauigkeit
der Anzeige wird durch Vergleich zwischen den Harmonischen der Umhüllenden des Trägers,
d. h. der durch die Rotation entstandenen Modulation, und den Harmonischen des Bezugssignals
erhöht, die durch die Transformatoren 53 und 54 in das Phasenvergleichsgerät 28
eingekoppelt werden. Die Mehrdeutigkeit der Kursanzeige dagegen wird durch Vergleich
der Grundfrequenzen beseitigt. Gewöhnlich wird man den Knopf 46 so einstellen, daß
das Meßgerät 55 auf Null steht.
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Die Zeigerabweichungen dieses Meßgerätes von der Nullage zur einen
oder anderen Seite hin geben dann die Ku rs abweichungen an.
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Fig. 4 zeigt ein typisches Strahlungsdiagramm, das von den drei Strahlern
18, 19 und 20 der Fig. 2 erzeugt wird. Mit einem Strahlerabstand von 165 elektrischen
Graden kann das Strahlungsdiagramm durch folgenden Ausdruck dargestellt werden:
F(#) = [1-01 cos = [165° sin #)] + [0,5 sin (1650 sin O-)j.
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O entspricht hierbei dem Azimut des Horizontaldiagramms.
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Die Drehung dieses Strahlungsdiagramms erzeugt im Detektor 26 ein
resultierendes, zusammengesetztes, tonfrequentes Signal, dessen Verlauf etwa der
Kurve von Fig. 5 entspricht. Mathematisch kann dieser Verlauf in die Komponenten
F Zu = 0,342 + 0,257 sinkt + f 0,192 sin 3 oo t + 0,02 sin 5t - 0,067 cos 2ojt -
0,017 cos 4wt zerlegt werden. Dabei ist 0 der Rotationswinkel, d. h. der Peilwinkel,
und w t der Ausdruck für die Winkelgeschwindigkeit.
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Es ist erkenntlich, daß in der Ausgangsspannung hinter dem Detektor
nicht nur die Grundfrequenz, die der Umdrehungsgeschwindigkeit des Antennensystems,
das ist oj t, entspricht, enthalten ist, sondern auch höhere Harmonische bis zur
fünften Oberwelle.
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Die Phasenlage dieser Harmonischen im Verhältnis zur Rundstrahlung
kann mit der gleichen Genauigkeit gemessen werden wie die der Grundwelle, da die
Phasenwinkel der Harmonischen nur verhältnismäßig kleineren Bögen in bezug auf die
Station entsprechen.
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Die Kurve gemäß der Fig. 6 gibt die Abweichung des Meßgerätes 55
von der Nullage als Funktion des Peilwinkels für die Grundwelle und die dritte Harmonische
wieder. Diese Kurve zeigt, daß die Zeigeraus-
schläge um den Nullpunkt herum innerhalb
eines Bereiches von + 300 groß sind. Bei größeren Werten, bis zu einem Winkel von
+ 900 werden die Ausschläge ständig geringer. Im Bereich von 1 (90 bis 1500) steigen
sie wieder an und erreichen oberhalb eines Winkels von 1 1500 wieder das Maß, das
bei genauer Kurseinhaltung (0 oder 1800) vorhanden war. Daraus ergibt sich, daß
in der Nähe des richtigen Kurses, also um die Nullage herum, die Anzeige innerhalb
eines Bereiches von + 300 Abweichungen vom Kurs deutlich erkennen läßt. Oberhalb
dieses Intervalls fällt die Empfindlichkeit, steigt dann wieder langsam an, fällt
jedoch bis zu einem Phasenwinkel von 1500 nicht mehr auf Null ab. Über 1500 hinaus
erreicht dann die Anzeige schnell wieder den Wert Null, und zwar bei 1800. Diese
zweite Nullstelle entspricht der Verlängerung des Kurses über das Funkfeuer hinaus
und seiner Fortsetzung jenseits des Funkfeuers.
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Die Erfindung wurde zwar an Hand eines speziellen Ausführungsbeispiels
beschrieben. Dies stellt jedoch keine Beschränkung ihres Wesens und ihrer Anwendbarkeit
dar.