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Goniometer, insbesondere für Kurzwellenpeilung
Für die Peilung von
Funkwellen werden hauptsächlich zwei verschiedene lterfahren benutzt. Das eine arbeitet
mit einer drehbaren Antennenanlage, gewöhnlich einer Rahmenantenne, das andere mit
winkelgestellten festen Richtantennen, deren Ableitungen zu der Primärseite eines
Goniometers geführt sind. Die Primär- und Sekundärseiten des Goniometers sind dabei
gegeneinander drehbar, und die Peilrichtung wird durch Einstellen zwischen der Primärseite
und der Sekundärseite mit dem gleichen Winkel erhalten wie das Azimut bei direkter
Peilung mit einem drehbaren Antennensystem.
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Als Ausrüstung für Flugplätze wurden für einen Frequenzbereich innerhalb
des Meterbereichs, und zwar für II8 bis I32 MHz, entsprechend 2,28 bis 2,35 m, automatische
Peilanlagen mit Kathodenstrahloszillographen als Indikator vorgeschlagen. Zwar hat
man auch einen etwas erweiterten Wellenlängenbereich vorgeschlagen, und zwar von
I,92 bis 2,73 m, entsprechend IIo bis I56 MHz, aber die Schwierigkeiten, die man
im einen Fall zu überwinden hatte, bleiben im großen und ganzen unverändert in dem
anderen Fall bestehen.
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Rotierende Antennen können in den bisher bekannten automatischen
Peilanlagen auf Grund der erforderlichen großen Drehgeschwindigkeit, der die Abmessungen
nicht entsprechen, die das Antennensystem bei diesen Frequenzen haben muß, kaum
benutzt werden. Die Antennenanlagen können nämlich nicht ohne große Schwierigkeiten
derart dimensioniert werden, daß sie die aufkommenden mechanischen Beanspruchungen
aushalten. Auch falls es gelingen würde, dieses Problem zu meistern, so entstünde
ein zu großer Luftwiderstand, weshalb der für den Antrieb des Antennensystems benutzte
Motor zu groß, schwer und umfangreich werden würde, was bei Verlegung des Empfangsgeräts
von einem Platz zu einem anderen zu Schwierigkeiten führt. Die meisten für Flugfelder
benutzten Empfangsgeräte müssen beweglich sein.
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Man war deshalb im wesentlichen auf Goniometerempfang angewiesen,
und dieser mußte aus praktischen Gründen vorzugsweise kapazitiv sein. Kapazitive
Goniometer haben indessen immer große Kapazitäten zur Erde, welche mittels Induktivitäten
kompensiert und gegebenenfalls mittels Widerstände gedämpft werden müssen, wodurch
der Frequenzbereich eingeschränkt wird nd gleichzeitig die Goniometerverluste groß
werden. Außerdem wird der Abgleich selbst sehr schwierig.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein für Kurzwellenpeilung bestimmtes
Goniometer der sogenannten Leitertype, d. h. ein Goniometer, in dem der Primär-bzw.
der Sekundärkreis aus wirklichen, gegebenenfalls verkürzten Leitern besteht, die
im Verhältnis zueinander einstellbar sind. Nach der Erfindung sind die (Hochspannung
führenden) freien Enden der Leiter derart angeordnet, daß sie in den größtmöglichen
gegenseitigen Abstand kommen. Weiter sind zu dem Antennensystem parallele oder nahezu
parallele Leiter angeordnet, beispielsweise derart, daß bei einem vierpoligen Dipolantennensystem
jeder der vier Leiter in einer solchen Lage angeordnet ist, daß er räumlich um go"
im Verhältnis zu den übrigen versetzt ist und diese vorzugsweise zusammen den Stator
bilden, während der Rotor aus einem oder gegebenenfalls aus zwei um I80° räumlich
zueinander versetzten Leitern gebildet wird.
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Nach einer besonderen Ausführungsform der F,rfindung sind die Leiter
im Goniometer verkürzt, und zwar durch Anordnung einer Anzahl längs der Leiter verteilter
geballter Kapazitäten.
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Die Anordnung des Goniometers sei im Zusammenhang mit den Zeichnungen
näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein Diagramm zur Erklärung der allgemeinen Wirkungsweise
des Leitergoniometers; Fig. 2 zeigt eine Abänderung des Diagramms nach Fig. I; Fig.
3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen des Leitergoniometers gemäß der
Erfindung; Fig. 5 zeigt einen kapazitiv verkürzten Leiter entsprechend den Diagrammen
nach Fig. I oder 2; Fig. 6 zeigt ein Kapazitätselement zur Erzeugung der Leiterverkürzung,
und Fig. 7 zeigt ein Leitergoniometer nach Fig. I mit verkürzten Leitern.
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Bei einem kapazitiven Leitergoniometer werden als Primär- bzw. Sekundärkreis
elektrische Resonanzleiter benutzt. Diese Kreise brauchen, wie Versuche gezeigt
haben, nicht genau auf die zu empfangende Wellenlänge abgestimmt zu sein, vielmehr
ist es bei den in Frage kommenden Wellenbereichen völlig ausreichend, wenn die Leiterlänge
einer ungefähr in der Mitte des zu empfangenden Wellenbereichs liegenden Wellenlänge
angepaßt ist. Beispielsweise kann ein durchaus verwendbares Leitergoniometer für
eine Wellenlänge von 2,20 m entsprechend einer Frequenz von I36 MHz gebaut werden,
falls man beabsichtigt, das Goniometer zur Peilung innerhalb der oben angegebenen
Wellenbereiche zu benutzen.
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Nach Fig. I ist eines der primären Goniometerelemente in Form eines
Leiters von einer Viertelwellenlänge ausgeführt, d. h. in dem gewählten Beispiel
von 55 cm Länge. Der Leiter ist mit IO bezeichnet, sein Wellenwiderstand mit Zol
und seine Eingangsimpedanz mit Z1. Das entsprechende sekundäre Goniometerelement
ist mit II bezeichnet, sein Wellenwiderstand mit Z02 und seine Abschlußimpedanz
mit Z2 Zwischen den beiden Leitern besteht eine induktive Kopplung so daß der Primärleiter
im Sekundärleiter genau so eine Spannung induziert wie in dem üblichen induktiven
Spulengoniometer die Primärspule in der Sekundärspule.
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Man sieht deshalb vier primäre Goniometerelemente I2, I3, I4 und 15
vor, welche in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise an die vierpolige Antenne angeschlossen
werden. Diese möge als Dipolantenne mit vier in den vier Himmelsrichtungen angeordneten
Dipolpaaren ausgebildet sein, welche über Transformatoren an die vier Leiter des
Primärkreises des Goniometers angeschlossen sind, wie aus den Zeichnungen ersichtlich.
Der Sekundärkreis besteht aus zwei entsprechenden Leitern I6 bzw. I7, die auf einem
um die Welle iq drehbaren Rotor Is angebracht sind.
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Es wird weiter vorausgesetzt, daß der Leiter 11 mit einem Scheinwiderstand
z2 Z02 abgeschlossen ist, so daß der Scheinwiderstand des Leiters gleicht02 für
alle Frequenzen wird. Falls der Leiter 10 genau ein Viertel einer sVellenlänge beträgt,
wird das Verhältnis zwischen dem Eingangsscheinwiderstand Z und dem Wellenwiderstand
Z01 gleich Z1 = Z<)1 Z02 Z01 G!)2 . M2 In dieser Formel bezeichnet m die elektrische
Kreisfrequenz des Signals. Der im Primärkreis auftretende Scheinwiderstand ist also
nicht von der Frequenz unabhängig; die Variationen sind aber innerhalb des betrachteten
Frequenzbereichs tatsächlich ziemlich klein. Ist dieser z. B., wie anfangs angedeutet
wurde, 110 bis 156 MHz und ist der Leiter auf eine Mittelfrequenz von 136 MHz abgestimmt,
so beträgt die Scheinwiderstandsänderung nur -37,5 bis + 32 0/o. Dies ist vollkommen
tragbar.
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Es kann gewisse Schwierigkeiten machen, bei einer Vorrichtung nach
Fig. I eine zufriedenstellende Gegeninduktivität zwischen den Leitern zu erhalten.
Diese Schwierigkeit wird aber leicht dadurch behoben, daß man die Leiter derart
verschiebt, daß sie teilweise einander überlappen, wie es in Fig. 2 angegeben ist.
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Ist der elektrische Überlappungswinkel a, auf die ganze Länge des
primären Leiters gleich go° bezogen, und ist weiter der Kopplungsfaktor zwischen
den Leitern gleich K, so wird M2 = K2Z01Z02tg2a, und die Gleichung für das Verhältnis
Z1 : Z01 vereinfacht sich zu Z1 ~ 1 zol «22tg2a Der Kopplungsfaktor sollte vorzugsweise
ziemlich groß sein. Jedoch hat es sich in der Praxis als schwierig erwiesen, einen
höheren Kopplungsgrad als /; zu
erzielen. Der Überlappungswinkel
soll 45" oder die halbe Länge des Primärleiters nicht überschreiten, weil dann eine
kapazitive Kopplung entsteht, welche so stark wird, daß sie die induktive Spannungsübertragung
stört.
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Ein Leitergoniometer der oben beschriebenen Art ist völlig brauchbar,
in der Praxis aber etwas unbequem, weil es ziemlich große Dimensionen erhält.
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Es ist deshalb von Vorteil, wenn die Leiterlänge verkürzt werden kann,
und dafür ist gemäß einer weiteren Entwicklung der Erfindung auch die Möglichkeit
gegeben, wie die folgenden Ausführungen zeigen.
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Wenn der Leiter nach Fig. 2 luftisoliert ausgeführt ist und einen
Wellenwiderstand Z hat, so ist nach bekannten Gesetzen seine Induktivität pro Fuß
= I,OI6 Zft Z#tt H und seine Kapazität 1 oi6 F.
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Falls man jetzt in der in Fig. 5 angegebenen Weise den Leiter in Abständen
mit geballten Kapazitäten 20 bis 26 belastet, und zwar mit je einer pro Längeneinheit,
so wird offenbar die Kapazität pro Längeneinheit
hierin bezeichnet Cb die Zusatzkapazität pro Längeneinheit.
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Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Leiter IO wird dann
Damit man beispielsweise auf die halbe Lichtgeschwindigkeit kommt, muß, wie der
obigen Formel zu entnehmen ist, Cbgleich 3j48 ii F/Fuß sein. Da der Wellenwiderstand
des unbelasteten Leiters
ist, wird der neue Wellenwiderstand
Falls deshalb ein bestimmter Wellenwiderstand des Leiters gewünscht wird und gleichzeitig
beabsichtigt ist, den Leiter kapazitiv auf die halbe räumliche Länge zu verkürzen,
so soll der unbelastete Wellenwiderstand gleich 2Zo gewählt werden. Dies bringt
außerdem den Vorteil, daß ein niedriger Wert des Wellenwiderstandes Zol zu besserer
Anpassung über einen großen Frequenzbereich führt. Geeignete Werte sind Z1 = ungefähr
4 Z01 oder mit anderen Worten 50 bis IOO Ohm.
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Falls man die kapazitive Belastung in geeigneter Weise ausbildet,
erhält man außerdem einen weiteren Vorteil, und zwar eine kapazitive Abschirmung
des Leiters im ganzen, so daß die beiden Leiter voneinander kapazitiv abgeschirmt
sind, während die induktive Kopplung voll erhalten bleibt.
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Die verteilten geballten Kapazitäten können vorzugsweise durch Anordnung
einer Anzahl von Scheiben nach Art der in Fig. 6 gezeigten angebracht werden.
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Diese Scheiben werden dann parallel miteinander in geeigneten Abständen
angeordnet. Sie sind mit Löchern 27 versehen, durch welche der Leiter 28 durchgezogen
ist. Die Scheiben müssen geerdet sein.
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Natürlich kann die im vorstehenden beschriebene Art der kapazitiven
Verkürzung des Primärleiters ebenso auch beim Sekundärleiter Anwendung finden.
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Das in Fig. 7 gezeigte Leitergoniometer ist nach dem in Fig. 3 gezeigten
Prinzip mit kapazitiver Verkürzung der Leiter ausgeführt. Fig. 7 bildet einen Längsschnitt
durch die Vorrichtung nach Fig. 3 in der Ebene der Leiter I2, I4, I6 und I7. Die
Leiter 12 und 14 sowie die nicht gezeigten Leiter I3 und 15 sind auf dem Statorteil
angebracht worden, welcher von einer kapazitiv schirmenden Umhüllung 29 getragen
wird.
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In der Umhüllung 29 sind gelochte Metallscheiben 3O befestigt, durch
deren Löcher die Leiter I2, I3, 14 und I5 durchtreten. Die Leiter selbst bestehen
vorzugsweise aus Metallrohren; die den Rotor bildenden Rohre werden von einer auf
der Welle 32 befestigten Platte 3I getragen, während die den Stator bildenden Rohre
an der Umhüllung 29 befestigt sind.
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Wie man der Fig. 7 entnehmen kann, sind die mit Erde verbundenen
Enden der Statorleiter nach rechts gerichtet, während ihre freien Enden nach links
gerichtet sind. Die Rotorleiter sind umgekehrt angeordnet, indem sie über die Scheibe
3I an ihrem in der Zeichnung links liegenden Ende geerdet sind, während sie rechts
durch eine Verbindungsleitung 33 abgeschlossen sind, von der die in den Leitern
induzierte Spannung in beliebiger Weise abgenommen werden kann. Um die Montage und
die Abschirmung des Goniometers zu vereinfachen, ist es jedoch zweckmäßig, die an
die Verbindungsleitung 33 angeschlossene Anschlußleitung des Rotors auf derselben
Seite des Goniometers aus diesem herauszuführen, auf welcher die Anschlußleitung
des Stators in den Goniometer eingeführt ist. In diesem Fall genügt zur Abschirmung
eine einzige Abschirmplatte 34 bei dem offenen Ende des Stators. Besonders vorteilhaft
ist es, die Anschlußleitung von der Verbindungsleitung 33 durch eines der hohlen
Rohre I6 oder I7 oder, falls man volle Symmetrie anstrebt, parallel durch beide
Rohre zu leiten.
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Bei der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung ist die Anschlußleitung durch
das Rohr I7 gezogen.
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Es ist für die Herabsetzung der kapazitiven Kopplung zwischen den
Leitern von großer Bedeutung, daß die nicht geerdeten Enden der Leiter nach verschiedenen
Seiten gerichtet sind. Noch mehr wird die kapazitive Kopplung dadurch herabgesetzt,
daß das spannungsführende Ende des Rotorteils oder des Sekundärteils sich in einem
Topf 36 hinter dem geerdeten Ende des Statorteils oder des Primärteils befindet.
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Man wünscht indessen nicht nur einen weiten Frequenzbereich, einen
guten Empfang und Symmetrie in den Kardinalrichtungen und in den Interkardinalrichtungen,
was man alles mit der in Fig.7 gezeigten Vorrichtung erhält, sondern man wünscht
auch zur Erleichterung des Ablesens.bzw. zur Verbesserung der Arbeitsweise der automatischen
Anzeige bei automatischer Peilung eine angemessen gute Sinusvariation der Spannung
während der Umdrehung des Rotors
mit konstanter Geschwindigkeit.
Diese Sinusvariation erhält man nicht ohne weiteres mit der in Fig. 7 dargestellten
Vorrichtung, sie kann aber durch eine einfache Abänderung erreicht werden. Diese
Ausführungsform ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, die der Darstellungsweise
in Fig. 3 entspricht. Die Spannungsverteilung wird mit dieser Vorrichtung nicht
genau sinusförmig, man kann aber empirisch die vorteilhafteste Verteilung zwischen
den verschiedenen Leitern finden und durch diese einen Verlauf erreichen, der sich
so wenig von der reinen Sinuskurve unterscheidet, daß sie den in der Praxis vorkommenden
Bedürfnissen völlig genügt.
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Nach Fig. 4 ist jeder der verschiedenen Leiter in der Weise breiter
gemacht worden, daß er durch zwei in bestimmtem Abstand voneinander angeordnete,
parallel geschaltete Leiter ersetzt ist. Somit giht es zwei Leiter I2' und I2",
dem Leiter 12 in Fig. 3 entsprechend, und in entsprechender Weise zwei mit bzw.
" bezeichnete Leiterpaare für jeden der Leiter I3, 14, 15, I6 und 17.
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Der Winkel zwischen den verschiedenen Leitern muß in der Regel experimentell
bestimmt werden.
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Folgende Zahlen geben einen Anhalt für eine Dimensionierung, die gut
befunden worden ist: Stator- und Rotorleiter werden aus Rohren mit 6 mm äußerem
Durchmesser hergestellt. Der Unterschied der Durchmesser zwischen den Mittelpunkten
der Statorrohre und der Rotorrohre ist 12 mm. Der Winkelunterschied zwischen zwei
parallel geschalteten, zum Stator gehörigen Rohren war zu,5", und der entsprechende
Winkelunterschied im Rotor war 45.
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Ein Goniometer der beschriebenen Art ist nicht nur zu Peilzwecken
verwendbar, sondern es kann auch in jedem anderen Fall benutzt werden, wo ein Goniometer
zur Verwendung zu kommen pflegt, z. B. als ausgeglichener Modulator. Weiter kann
es als Modulations- oder Kodifizierungselement in gerichteten Funkbaken der sogenannten
Komplementkodetype (E-T-Baken bzw. A-N-Baken) sowie in einer großen Zahl von anderen
Fällen benutzt werden. Der Frequenzbereich ist nicht auf die oben angegebenen Frequenzbänder
begrenzt, sondern es wurden bei Versuchen sehr gute Ergebnisse innerhalb Frequenzbereichen
von 50 bis 3000 MHz erhalten, wobei das Leitergoniometer für IOO MHz Normalfrequenz
dimensioniert war.