DE1042674B - Drehfunkfeuerantenne mit verbesserter Vertikalstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne für Drehfunkfeuer, die ein vielblättriges, mit einer Grundfrequenz und einer oder mehreren Harmonischen dieser Frequenz rotierendes Strahlungsdiagramm ausstrahlt, wie z. B. das unter dem Namen Tacan bekanntgewordene System für die Funknavigation. Der Grad der Richtgenauigkeit solcher Drehfunkfeuer ist weitgehend von der Güte des Richtdiagramms des Antennensystems abhängig. Infolge der Umdrehung des vielblättrigen Diagramms erscheint an einem entfernten Empfänger die empfangene Hochfrequenzenergie entsprechend der Grundfrequenz der Rotation und der Harmonischen amplitudenmoduliert. Das Funkfeuer sendet außerdem Bezugssignale nach allen Richtungen aus, die mit den aus der Modulationshüllkurve abgeleiteten Spannungen hinsichtlich ihrer Phase verglichen werden. Dadurch wird in bekannter Weise der Azimut der Empfangsstation in bezug auf das Funkfeuer ermittelt.

Den meisten früher für Navigationszwecke benutzten rotierenden Antennen wurde die Energie über Schleifkontakte zugeführt, die gegen die Unbilden des Wetters schwer zu schützen sind.

Es sind weiter Antennensysteme bekannt und vorgeschlagen worden, bei denen parasitäre Strahler um einen Mittelstrahler, der z. B. als Mehrebenenkegelantenne ausgebildet sein kann, rotieren und so ein rotierendes Diagramm erzeugen.

Die Antennensysteme für Tacan-Stationen sind vertikale Strahleranordnungen, die in bekannter Weise zum Zweck der vertikalen Bündelung in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sind. Die Dipole können vertikale Einzeldipole, einfache oder Doppelkegelstrahler sein. Unter der Annahme, daß alle Strahlerelemente die gleiche Eingangsimpedanz haben, werden alle vertikal übereinandergebauten Dipole mit Energie bestimmter Phase gespeist. Es hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, daß auf Grund der verschieden langen Zuleitungen für das oberste bzw. das unterste Strahlerelement die ganze Antenne sehr frequenzempfindlich wurde, d. h. die einmal für eine bestimmte Frequenz festgelegte Phase für die Speisung der einzelnen Dipole bleibt nicht konstant, wenn die Frequenz auch nur um einen kleinen Betrag geändert wird. Überdies war es notwendig, die Speiseleitungen außerhalb des Strahlungsfeldes zu verlegen, um Störungen des Diagramms zu vermeiden.

Es ist weiterhin beobachtet worden, daß bei einer Mehrebenenanordnung von in gleichem Abstande übereinander angeordneten Strahlern z. B. Kegeldipolen, die Strahlung bzw. die Empfangsfeldstärke von einem gewissen Erhebungswinkel ab bis zu 90° über dem Funkfeuer zu gering ist, als daß ein in diesem Bereich fliegendes Flugzeug eine Ortung vornehmen könnte.

Drehfunkfeuerantenne
mit verbesserter Vertikalstrahlung

Anmelder:

International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. November 1955

Gus Stavis, Ossining, N. Y.,

und James S. Engel, Tenafly, N. J. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Antennenanordnung für die Tacan-Funkfeuer zu schaffen, deren mehrblättriges Richtdiagramm sich bis zu Erhebungswinkeln von annähernd 90° ausbreitet.

Die Drehfunkfeuerantenne gemäß der Erfindung, bei welcher der Hauptstrahler aus mehreren in Längsrichtung in gleichem Abstand übereinander angeordneten gespeisten Einzelstrahlern besteht und bei der zur Erzeugung eines mehrblättrigen umlaufenden Richtdiagramms parasitäre Strahler um den Hauptstrahler rotieren, ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Strahlungsdiagramms bis zu einem Erhebungswinkel von annähernd 90 ° über dem Hauptstrahler eine Hilfsstrahleranordnung — bestehend aus einem gespeisten Hilfsstrahler und einem zwischen dem Hilfsstrahler und dem Hauptstrahler befindlichen Gegengewicht — bei entsprechender Verlängerung der parasitären Strahler angeordnet ist, und die Verteilung der Sendeenergie auf die Einzelstrahler des Hauptstrahlers und den Hilfsstrahler von einem — innerhalb des Tragmastes etwa in der Mitte des Hauptstrahlers liegenden — Zentralspeisungspunkt aus zu ungleichen Beträgen erfolgt.

Um eine gegenseitige Störung der einzelnen Zipfel des Strahlungsdiagramms zu vermeiden und eine gewisse Bodenfreiheit des Diagramms zu gewährleisten, wird in weiterer Ausbildung der Erfindung der Abstand der Hilfsstrahleranordnung von dem obersten Einzel strahler des Hauptstrahlers anders, vorzugsweise größer als der Abstand der Einzelstrahler des

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Hauptstrahlers untereinander gewählt, und die oberen Strahlerelemente des Hauptstrahlers werden gegenüber den mittleren und unteren phasenverschoben gespeist.

Das Strahlungsdiagramm der Antennenanordnung gemäß der Erfindung besitzt eine ausgesprochene Bündelung des Vertikaldiagramms, auf die wegen der damit verbundenen großen Reichweite des Funkfeuers besonderer Wert gelegt ist. Es ist aber auch die Empfangsfeldstärke bis zu Erhebungswinkeln von annähernd 90° groß genug, um eine Ortung einwandfrei vornehmen zu können.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der Antennenanordnung schematisch im Schnitt dar; in

Fig. 2 ist ein Strahlerelement der Tacan-Antenne im Schnitt dargestellt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der Antenne mit den parasitären Strahlern oder Reflektoren, wobei ein Teil der äußeren Zylinder weggeschnitten gezeichnet ist.

Aus Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß die Antennenanordnung aus einer Mehrzahl von Doppelkegeldipolen !"bis 7 besteht, die vertikal übereinander angeordnet sind. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Teiles der Anordnung der Fig. 1. Dieser Teil der Strahleranordnung enthält den Hauptspeisepunkt 11. Die Energieverteilung geschieht innerhalb des als Tragmast ausgebildeten Mittelteiles 8 der Antenne, und die Speiseleitungen der einzelnen Strahlerelemente bestehen aus koaxialen, abwechselnd gespeisten Leitungsstücken, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Diese Art der Speisung vermindert die Phasenverschiebung zwischen den Antennenelementen und bewirkt ein konstantes Strahlungsdiagramm über den ganzen in Frage kommenden Frequenzbereich. Naturgemäß sind an den Speisepunkten Impedanztransformatoren vorgesehen. Die unteren sechs Strahlerelemente 1 bis 6 sind in gleichem Abstande voneinander angeordnet und stellen den Hauptstrahler dar. Um eine Anhebung des Vertikaldiagramms oder, mit anderen Worten, eine Abstrahlung von einem kleinen Erhebungswinkel ab gegen die Horizontale zu bewerkstelligen, werden die einzelnen Strahlerelemente 1 bis 6 phasenmäßig derart gespeist, daß die unteren Elemente 1 und 2 in bezug auf die mittleren Elemente 3 und 4 in gleicher Phase, die oberen Elemente 5 und 6 dagegen in bezug auf die mittleren derart phasenverschoben erregt werden, daß das Diagramm gegenüber der Horizontalen um einen kleinen Winkel augehoben wird. Das oberste Strahlerelement 7 ist in einer anderen, vorzugsweise größeren Entfernung vom obersten Hauptstrahlerelement angeordnet als die Strahlerelemente 1 bis 6 untereinander. Das geschieht aus dem Grunde, um auch eine gute Abstrahlung nach größeren Erhebungswinkeln zu bekommen. Der Dipol 7 arbeitet zusammen mit dem Gegengewicht 9, welches zwischen den Dipolen 6 und 7 angeordnet ist. Das Element 7 wird mit der gleichen Leistung gespeist wie das Element 3 und 4 und trägt auf Grund des größeren Abstandes und der phasenverschobenen Speisung auch dazu bei, das vertikale Strahlungsdiagramm anzuheben.

Um die Speiseenergie den einzelnen Dipolen zuzuführen, wird die Hauptspeiseleitung 8 mit dem Innenleiter 8 & und dem Außenleiter 8σ- zunächst an den zentralen Speisepunkt 11 geführt, wo die Aufteilung mittels eines Verteilernetzwerkes an die anderen Einzelstrahler erfolgt.

Das Verteilernetzwerk enthält auch Anpassungstransformatoren für jedes Strahlerelement, jedoch sind diese wegen der Übersichtlichkeit der Darstellung in der Figur nicht wiedergegeben.

An dem Hauptspeisepunkt 11 wird die gesamte Energie zunächst in zwei Anteile aufgeteilt. Der erste Teil, ungefähr dreiundzwanzig von insgesamt 37 Teilen, wird einem weiteren Speisepunkt 12 über die Leitung 8 c zugeführt, die nun als Innenleiter in Verbindung mit dem Außenleiter 13 als koaxiales Leitungsstück wirkt. Der Energieanteil von ungefähr 23 Teilen am Speisepunkt 12 wird wiederum in zwei Beträge von etwa 18 Teilen und 5 Teilen aufgeteilt. Die 18 Teile der Energie werden dem Speisepunkt 14 über ein koaxiales Leitungsstück mit dem Innenleiter 13 und dem Außenleiter 15 zugeführt. Die Energie am Speisepunkt 14 wird nun zu gleichen Teilen, d. h. je 9 Teile, den Antennenelementen 3 und 4 zugeführt. Die restlichen 5 Teile am Speisepunkt 12 werden zum Speisepunkt 16 geleitet, wo der Kegeldipol 1 mit einem Teil und der Kegeldipol 2 mit vier Teilen der Energie erregt werden.

Die restlichen 14 Teile der Energie werden vom zentralen Speisepunkt 11 zum Speisepunkt 17 geleitet, von wo aus 9 Anteile dem Doppelkegel 7 und weitere 5 Einheiten dem Speisepunkt 18 zugeführt werden. An diesem wird die Energie wiederum so aufgeteilt, daß 4 Einheiten das Strahlerelement 5 und 1 Einheit das Strahlerelement 6 speisen. Die Erfahrung hat gelehrt, daß bei einer Energieaufteilung nach dem Schema 1-4-9-9-4-1 auf die einzelnen Strahlereinheiten des Antennensystems unerwünschte Nebenzipfel der Strahlung nicht auftreten. Um eine Anhebung der Strahlungscharakteristik des Antennensystems gegenüber der Horizontalen zu erhalten, werden die Dipole 1 und 2 gleichphasig, und die Dipole 5, 6 und 7 entsprechend phasenverschoben gegenüber den Strahlern 3 und 4 erregt.

Das Strahlerelement 7 ist zur Verbesserung der Abstrahlung in vertikaler Richtung in das Antennensystem eingefügt. Das Strahlerelement 7 arbeitet zusammen mit dem Gegengewicht 9, welches zwischen den Strahlerelementen 6 und 7 angeordnet ist. Das Element 7 wird mit 9 Energieeinheiten erregt und trägt zur Änhebung des Strahlungsdiagramms bei, da es phasenverschoben gegenüber den Elementen 3 und 4 gespeist wird. Das Gegengewicht 9 schirmt die Strahlung der Elemente 1 bis 6 nach oben hin ab, und deshalb stammt die Strahlung bei großen Elevationswinkeln bis ungefähr 90° gegen die Horizontale in der Hauptsache vom Strahlerelement 7.

Der Antennengewinn einer solchen Antenne gegenüber einem einfachen Dipol beträgt etwa S db, und der Hauptabstrahlungswinkel liegt etwa bei 5° gegenüber der Horizontalen. Auf diese Weise werden auch Fehlmessungen des Azimuts, die auf Reflexionen der Energie an Gebäuden oder Masten zurückzuführen sind, zum großen Teil vermieden. Infolge der vertikalen Anordnung der Hauptstrahler 1 bis 6 und infolge des größeren Abstandes des obersten Strahlerelementes 7 vom letzten Strahlerelement 6 des Hauptstrahlers wird ein größerer Anteil der Strahlung in vertikaler Richtung ausgesendet, als es ohne dieses Strahlerelement 7 der Fall wäre. Auf diese Weise kann ein über das Funkfeuer hinwegfliegendes Flugzeug praktisch ohne Unterbrechung die Ortung vornehmen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Tacafl-Antenne in perspektivischer Ansicht gezeichnet. Der untere Bauteil 19 enthält die Generatoren für die Bezugsimpulse und die Antriebsmittel für das Antennen-

system. Die Mehrebenenanordnung der Strahlerelemente befindet sich innerhalb eines Gehäuses aus Fiberglas oder anderem Isoliermaterial. Zur Erzeugung des Hauptstrahlungsblattes ist ein Widerstandsdraht als parasitärer Strahler 21 auf einem nichtleitenden Zylinder 22 montiert, welcher um den Zentralstrahler 20 rotiert. Für die Erzeugung der Nebenstrahlungsblätter oder, mit anderen Worten, der Harmonischen der Grundfrequenz der Rotation ist eine Mehrzahl von parasitären Strahlern (nicht gezeichnet) auf einem zweiten Zylinder aus Isoliermaterial 23 angebracht, der konzentrisch zum Zentralstrahler und in größerem Abstand als der erste Zylinder angeordnet ist. Beide Zylinder 22 und 23 rotieren synchron um den Zentralstrahler. Um die gewünschte Strahlungscharakteristik sicherzustellen, sind noch die Metallplatten 24 und 25 als Gegengewichte bzw. Abschirmplatten vorgesehen, die in ähnlicher Weise wirken wie das Gegengewicht 9 in der Fig. 1.

Claims (6)

20 Patentansprüche:

1. Drehfunkfeuerantenne, bei welcher der Hauptstrahler aus mehreren in Längsrichtung in gleichem Abstand übereinander angeordneten gespeisten Einzelstrahlern besteht und bei der zur Erzeugung eines mehrblättrigen umlaufenden Richtdiagramms parasitäre Strahler um den Hauptstrahler rotieren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Strahlungsdiagramms bis zu einem Erhebungswinkel von annähernd 90° über dem Hauptstrahler eine Hilfsstrahleranordnung ·—■ bestehend aus einem gespeisten Hilfsstrahler und einem zwischen dem Hilfsstrahler und dem Hauptstrahler befindlichen Gegengewicht — bei entsprechender Verlängerung der parasitären Strahler angeordnet ist und die Verteilung der Sendeenergie auf die Einzelstrahler des Hauptstrahlers und den Hilfsstrahler von einem ■—■ innerhalb des Tragmastes etwa in der Mitte des Hauptstrahlers liegenden ·—· Zentralspeisungspunkt aus zu ungleichen Beträgen erfolgt.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Hilfsstrahleranordnung von dem obersten Einzelstrahler des Hauptstrahlers anders, vorzugsweise größer als der Abstand der Einzelstrahler des Hauptstrahlers untereinander bemessen ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung durch den Tragmast selbst und durch einen innerhalb des Tragmastes konzentrisch verlegten Leiter gebildet ist.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieverteilung, von den beiden mittleren Einzelstrahlern aus gesehen, nach beiden Seiten im Verhältnis 9:4:1 erfolgt und daß der Hilfsstrahler mit 9 Energieanteilen gespeist ist.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen zu den Einzelstrahlern durch ineinandergeschachtelte konzentrische Leitungen gebildet sind.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente konzentrische Doppelkegelstrahler sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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