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Anordnung zur nachteffektfreien Peilung
Es ist bekannt, daß die Peilung
eines Senders, dessen Strahlung auch über die Ionosphäre zum Peilort gelangt, mit
einem gewöhnlichen Rahmen nicht mehr möglich ist. Es treten starke Trübungen und
Fehlweisungen auf, die auf eine anomale radiale magnetische Komponente zurückgeführt
werden können, die im Interferenzfelde der schräg von oben fallenden und am Boden
reflektierten Raumwelle auftritt. Die Polarisation, Einfallsrichtung, Phase und
Amplitude dieser an der Ionosphäre oder im UKW-Bereich an Schichtungen der Troposphäre
reflektierten Raumwelle ändert sich unaufhörlich mit der Lage und Struktur der reflektierenden
Schichten.
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Das bisher einzige Verfahren, bei welchem die genannten Feblweisungen
vermieden werden, ist bekanntlich das Adcockverfahren. Es beruht grundsätzlich auf
einem Vergleich der Phasen der in zwei in einem gewissen Abstand voneinander aufgestellten,
gleichartigen Antennen induzierten Spannungen bzw. auf einer Bestimmung der Phasenflächen
einer beliebigen Komponente des Empfangsfeldes. Im allgemeinen wählt man die vertikale
elektrische Komponente (U-Adcock, H-Adcock). Beim Doppelrahmenadcock wird die azimutale
magnetische Komponente benutzt.
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Nachteilig ist beim Adcockverfahren die geringe Empfindlichkeit,
die zur Wahl großer Basisabstände und Antennenhöhen zwingt. Im Mittelwellenbereich
ist das Mißverhältnis zwischen einem Rahmen für Bodenwellenempfang und einem Adcock
gleicher
Empfindlichkeit für Raumwellenempfang hinsichtlich ihrer
geometrischen Ausdehnung besonders kraß. Es besteht daher seit langem das Bestreben,
eine der Größe des normalen Rahmens besser angepaßte nachteffektfreie Peilanordnung
zu schaffen. Bei den vielfachen Versuchen in dieser Richtung ist wiederholt die
Kombination Rahmen-Dipol in irgendeiner Schalt-und Arbeitsweise vorgeschlagen worden,
und zwar ist bekannt, die die Peilung störenden anomalen Komponenten bei einem vertikalen
Rahmen durch Kompensation mit Hilfe einer in einem horizontalen Dipol erzeugten
Spannung zu beseitigen. Alle diese Versuche schlugen fehl.
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Es ist auch bereits eine Kombination vorgeschlagen worden, die aus
einer das elektrische Feld aufnehmenden Antenne (Dipol) mit einer das magnetische
Feld aufnehmenden Antenne (Rahmen) besteht, wobei beide Antennen örtlich vereinigt
und um eine gemeinsame Achse drehbar sind. Bei dem früheren Vorschlag werden die
Phasen der in der elektrischen Antenne und der in der magnetischen Antenne induzierten
Spannungen verglichen. Diese Anordnung arbeitet einwandfrei, benötigt jedoch zwei
Empfänger.
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Erfindungsgemäß wird deshalb eine Anordnung zur nachteffektfreien
Peilung elektrischer Wellen vorgeschlagen, die unter Verwendung der Kombination
einer das elektrische Feld aufnehmenden Antenne mit einer das magnetische Feld aufnehmenden
Antenne arbeitet, wobei beide Antennen örtlich vereinigt und um eine gemeinsame
Achse drehbar sind und die Amplituden der in den beiden Antennen induzierten Spannungen
gegeneinandergeschaltet sind und die Peilstellung durch die Spannung Null gegeben
ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierten elektrischen
und magnetischen Antennen stets gleiche Polarisation aufweisen.
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Diese Anordnung arbeitet mit nur einem Empfänger und besitzt außerdem
den Vorteil sehr kleiner Bauweise gegenüber einer Adcockanlage.
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An Hand der Zeichnungen seien die Verhältnisse näher dargestellt.
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1. Das Interferenzfeld einer am Boden reflektierten ebenen Welle
Es sei in Abb. I C die der Einfallsebene (x-z-Ebene) parallele Komponente, #h die
transversale Komponente des unter dem Winkel α° gegen die Vertikale am Erdboden
einfallenden Raumwellenfeldes. Rv bzw.
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Rh seien die entsprechenden Fresnelschen Reflexionskoeffizienten,
n bzw. u' die Strahlvektoren der einfallenden und reflektierten Welle, r der Aufpunktsvektor
vom Bezugspunkt C zum Empfangspunkt P.
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Cv und C, sind als komplexe Zahlen aufzufassen, so daß der Quotient
eet sowohl das Komponentenverhältnis als auch die Polarisationsphase des einfallenden
Drehfeldes liefert. Für RD und Z gelten die Gleichungen
für vertikale Polarisation, und
für horizontale Polarisation. Hier ist a der Einfallswinkel, undne = E = e + y -f
das Quadrat des komplexen Brechungsindex. E ist die Dielektrizitätskonstante und
0, die Leitfähigkeit des Erdbodens, beide in elektrostatischen Einheiten gemessen,
f ist die Frequenz in Hertz. Die Strahlvektoren n, n' und der Aufpunktsvektor t
sind durch die Ausdrücke n = isina - Pcosa; n' = isina + Pcosa; X = i x ix t fz
(3) die Wellengleichungen der den Komponenten Cv und Cit entsprechenden Wellen also
durch
gegeben. Dabei wurde f = 222 x sin a und w cos a gesetzt und der Zeitfaktor iW ist
fortgelassen. Die am Boden reflektierten Wellenzüge EDr und E7lr ergeben sich aus
den Ansätzen
nach Multiplikation mit den Koeffizienten Rv und Rh zu
Das Interferenzfeld folgt aus der geometrischen Addition der Wellenzüge
Eve und EVr bzw. Ee und Ear. Man findet (Abb. 1)
Da die wesentlichen Erscheinungen im Interferenzfeld der einfallenden und reflektierten
Welle für unendlich gut leitenden Boden einerseits und endlich leitenden Boden andererseits
die gleichen sind, werden im folgenden noch die Komponentengleichungen für unendlich
gut leitenden Boden angeschrieben. Hierbei wird mit # -> # Rv = 1 und Rh = -1.
Damit erhält man für die Komponenten des Interferenzfeldes
Ohne zunächst auf die besondere Form der durch die Reflexionskoeffizienten Sv und
Rh bestimmten Klammerausdrücke der allgemeinen Formeln (8) näher einzugehen, kann
man aus ihnen schon die folgenden Schlüsse ziehen. Wenn die Peilstellung eines aus
Rahmen und Dipol bestehenden Antennensystems (Rahmen für die magnetischen Komponenten,
Dipol für die elektrischen Komponenten) unabhängig von den Polarisationseigenschaften
der einfallenden Welle sein soll, dann dürfen die beiden Antennen des Systems in
dieser Peilstellung nur durch solche Komponenten des Interferenzfeldes erregt werden,
die beide entweder nur zu oder nur eh enthalten. Man erkennt sofort aus dem Gleichungssystem
(8), daß vier derartige Kombinationen zwischen den Komponenten Ex, E,, Ez und Hx,
Hy, Hz des elektrischen und magnetischen Feldes möglich sind. Es sind dies die Kombinationen
E,-H,; E,, -Hx; E,-H, und EZHV. Die Kombination E1 - Hz verlangt als Peilantennensystem
einen horizontalen Dipol D und einen horizontalen Rahmen (vgl. Abb. 2), die Kombination
Ez - H,, einen vertikalen Dipol und einen vertikalen Rahmen (Abb. 3), und die Kombinationen
E,VHV und E,, Hx je einen horizontalen Dipol und einen vertikalen Rahmen (Abb. 4).
In allen vier Fällen sind die Antennensysteme um eine vertikale Achse drehbar zu
denken. Alle vier Kombinationen sind in mehr oder weniger vollkommener Weise für
eine nachteffektfreie Peilung geeignet. Die Gleichungen (8) lassen jedoch noch mehr
erkennen. Sie gestatten, wesentliche Eigenschaften der verschiedenen Systeme sofort
anzugeben. So erkennt man sofort, daß die Komponenten E1 und Hz bzw. Ez und Hy unabhängig
von den Bodeneigenschaften und vom Einfallswinkel die gleiche Phase und bis auf
den Faktor sin a sogar die gleiche Amplitude besitzen. Diese beiden Eigenschaften
sind kennzeichnend für die Peilstellung und bestimmen den gerätemäßigen Aufwand
der Peilanordnung. Man kann entweder die Phasen der zur Peilung benutzten Komponenten
E,, - Hz bzw.
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Ez -H,, vergleichen, wobei die Phasengleichheit zwischen ihnen das
Kriterium der Peilstellung bildet, oder man kompensiert ihre Amplituden und erhält
eine normale Nullpeilung. In letzterem Falle muß die eine Komponente im Verhältnis
sin a geändert werden. Da die Einfallswinkel im allgemeinen zwischen 60 und 80°,
die zugehörigen Sinus also zwischen 0,87 und o,gg liegen und über längere Zeiten
verhältnismäßig konstant sind, ist eine solche Amplitudenänderung, die etwa der
Enttrübung beim Rahmen oder beim Adcock entspricht, leicht durchführbar.
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Den Vorzug der Kombinationen E,, - Hz und Ez - Hy, von den Bodeneigenschaften
unabhängig zu sein, weisen die Kombinationen Ex H und E,-H, nicht auf, wie aus den
Gleichungen (8) zu ersehen ist. Die Koeffizienten Sv und R^J welche die Bodeneigenschaften
enthalten, gehen in alle vier Komponenten Ey, Ez, H, und Hz in verschiedener Weise
ein. Unter Voraussetzung unendlich guter Bodenleitfähigkeit weisen sie dafür einen
anderen Vorteil gegenüber den Kombinationen E,, - Hz und Ez H,, auf. Nach (g) ist
nämlich für unendlich gut leitenden Boden
Nun ist das Argument 22 z cos a, wo a den Einfallswinkel, z die Höhe des Antennensystems
über Boden und Ä die Wellenlänge bedeutet, im allgemeinen klein, so daß sich der
Sinus durch sein Argument und der Kosinus durch I ersetzen läßt. Für diesen Fall
erhält man also für die Komponenten E, und Hx die Ausdrücke
Beide Komponenten sind somit in gleicher Weise vom Einfallswinkel abhängig. Das
bedeutet, daß auch bei Einfall mehrerer unter verschiedenen Erhebungswinkeln einfallenden
Wellen das Peilkriterium, nämlich die Phasen- oder Amplitudengleichheit der Gesamtkomponenten
E, und Hx, nicht gestört wird. Diese Eigenschaft der Kombination E,, - Hx ist bei
Einfall mehrerer Wellen sehr wichtig und bei den Kombinationen E, - H, und E, -
H, nicht in gleichem Maße vorhanden.
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Andererseits ist die Störwirkung bei Einfall mehrerer Wellen bei
den Kombinationen E,, - Hz und Ez -nicht sehr groß, da der in der Nähe von 90" liegende
Einfallswinkel als Sinusfunktion eingeht und die Amplituden der einzelnen Wellen
nur wenig beeinflußt. Weiter unten werden die Vorgänge und der Störeinfluß bei Einfall
mehrerer Wellen nochmals näher besprochen.
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II. Die Theorie des Polarisationspeilers Es werden im folgenden die
Peildiagramme der beiden Kombinationen Ez - H1 und E1 - H näher untersucht. Unter
Peildiagramm ist dabei die Abhängigkeit der Phase oder der Kombinationsamplitude
(erhalten aus der Gegenschaltung der Rahmen- und der Dipolamplitude) vom Azimut
γ° zu verstehen.
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Das Azimut y wird von der Peilstellung y = oo aus gerechnet. Zugrunde
gelegt werden der folgenden Rechnung einfachheitshalber die Gleichungen (9) für
unendlich gut leitenden Boden, da, wie oben bemerkt, die Endlichkeit der Bodenleitfähigkeit
keine grundsätzliche Änderung hervorruft. a) Das Peildiagramm der Kombination E
Hvw Das zugehörige Antennensystem besteht aus einem vertikalen - Rahmen und einem
vertikalen Dipol.
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Die Abb. 3 a zeigt die Aufsicht, die Abb. 3b den Grundriß der Anordnung
mit der Lage des Rahmens in bezug auf die azimutale Richtung der einfallenden Welle.
Damit sind die im Dipol und im Rahmen erzeugten Spannungen gegeben durch 1XD = Es
UR = - Hx sin 7 - Hy cos γ (12) oder, wenn für Ez, Es, und Hy die Ausdrücke
aus (9) eingeführt werden,
Der konstante Faktor
kann bei den folgenden Betrachtungen unberücksichtigt bleiben, da er in allen Summanden
auftritt. Da ferner für den Peilvorgang nur das Verhältnis #h der #v horizontalen
zur vertikalen Komponente interessiert, erhält man mit dem Polarisationsquotienten
# = -die Spannungsgleichungen
Der Polarisationsquotient # kann je nach der Phasendifferenz zwischen h und v sowohl
reell als auch komplex sein. Ein reeller Polarisationsquotient entspricht einer
linear polarisiert einfallenden Welle, ein rein imaginärer Polarisationsquotient
von der Amplitude I beispielsweise einer zirkular polarisierten Welle.
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Wird die Peilung durch Gegenschaltung der in Rahmen und Dipol erzeugten
Spannungen vorgenommen, so ergibt sich folgendes Bild. Zunächst wird man den in
der Dipolspannung uD auftretenden Faktor sin a von vornherein in die Kompensation
mit einbeziehen, so daß er im folgenden unberücksichtigt bleiben kann. Das Peildiagramm
wird damit von der Differenz #D - #R = cos a sir y L COS (1-cos7} ri = F (y) (I6)
geliefert. Diese Funktion F (y) ist in den Abb. 5 b, 5 c; 6 b, 6 c; 7b, 7c für die
verschiedenen Polarisationsfälle wiedergegeben. Man erkennt, daß eine Peilung jetzt
in allen Polarisationsfällen möglich ist. In den Abb. gb, 6b, 7b sind die Diagramme
für den gesamten Azimutbereich von --I80 bis t 1800 aufgezeichnet. Die Abb. 5 c,
6 c, 7 c zeigen in vergrößertem Maßstab den Bereich von -60 bis 160°, um den Verlauf
der Diagramme in der Umgebung des Nullpunktes deutlicher wiederzugeben. Die Kurven
entsprechen jeweils dem Fall vertikaler Polarisation.
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Es handelt sich bei ihnen um die kartesische Darstellung der Kardioide
mit ihrem für die Peilung ungünstigen quadratischen Verlauf (horizontale Tangente)
in der Umgebung der Peilstellung y = 0°. Für alle von der Vertikalen abweichenden
Polarisationsfälle verlaufen die Peildiagramme in der Umgebung der Peilstellung
mit endlicher Tangente, zeigen also das gleich günstige Verhalten wie der Rahmen.
Diese Eigenschaft der Kombination in der Umgebung des Nullpunktes ist übrigens aus-
der Funktion F (y) sofort zu erkennen.
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Ist nämlich @it = # = O, die Polarisation also rein vertikal,
so ist in der Nähe von y = o die Funktion F = ~ I = cos y = ~ y212J verläuft also
quadratisch.
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Sobald p von Null verschieden ist, tritt das lineare Glied cos a sin
y # hinzu. Für horizontale Polarisation ergibt sich das Doppelkreisdiagramm der
Kurven 5. Auch hier erkennt man, daß die Peilschärfe um so größer ist, je mehr die
horizontale Komponente überwiegt. Bei linearer, aber geneigter Polarisation (Abb.
gb, 5 c) tritt neben dem wahren Peilnull noch ein zweites Null auf, das die Peilung
aber nicht stört, da es einerseits nicht stabil ist, andererseits bei der geringsten
Elliptizität der Strahlung getrübt erscheint.
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In den Abb. 5 d, 6 d, 7 d sind noch die Peildiagramme in Polarkoordinantendarstellungen
gezeigt. Die Kurven 1 entsprechen der gewöhnlichen Kardioide bei vertikaler Polarisation,
die Kurven 4 zeigen einen
kardioidenähnlichen Veriauf, jedoch, wie
oben bemerkt, mit günstigerem Verhältnis im Nullpunkt; schließlich zeigen die Kurven
5 das Doppelkreisdiagramm bei horizontaler Polarisation. b) Das Peildiagramm der
Kombination Ei, - Hz.
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Das zugehörige Antennensystem besteht aus einem horizontalen Rahmen
und einem horizontalen Dipol.
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Die Abb. zb zeigt den Grundriß der Anordnung mit der Lage des Dipols
in bezug auf die azimutale Richtung der unter dem Einfallswinkel a gegen die Vertikale
einfallenden Welle.
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Die im Dipol und im Rahmen erzeugten Spannungen sind gegeben durch
#D = Ex sin γ - Ey cos γ (I7) #R = - Hz oder, wenn für Ex, E, und Hz
die Ausdrücke aus (g) eingeführt werden.
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Der Faktor
kann wieder unberücksichtigt bleiben, da er in allen Summanden auftritt. Führt man
als Polarisationsquotienten den reziproken Wert
ein, so erhält man für das reziproke Verhältnis zwischen Dipol und Rahmenspannung
sowie für dieDifferenz beider Spannungen genau die gleichen Werte wie für den Fall
der Kombination Ez - Hy. Es ist ltD = - cos asin7' ' + (19) #R sin a und uR - uD
= cos α sin γ #' + (I - cos7) = F (y) (20) Die für die Kombination E,
- H, geltenden Eigenschaften lassen sich also Wort für Wort auf die Kombination
übertragen, wenn man vertikale und horizontale Komponente des einfallenden Feldes
(Rahmen- und Dipolspannung) und, wie aus Abb. 2 und 3 ersichtlich, die Zählrichtungen
von y vertauscht. Während daher die Kombination Ez - Hy besonders günstig bei vorwiegend
horizontaler Polarisation arbeitet, ist die Kombination Ei,- Hz bei vorwiegend vertikaler
Polarisation einzusetzen.
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Die Peildiagramme der Abb. 5, 6, 7 gelten im Sinne der soeben gemachten
Ausführungen auch für die Kombination Ei, - Hz. In den Abb. ga, 6a, 7a entspricht
dabei die Gerade 5 der vertikalen, die Gerade I der horizontalen Polarisation.