DE2305679A1

DE2305679A1 - Antenne zur erzeugung von abtastenden radiorichtstrahlen

Info

Publication number: DE2305679A1
Application number: DE2305679A
Authority: DE
Inventors: John Paul Wild
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1972-02-07
Filing date: 1973-02-06
Publication date: 1973-08-16
Also published as: CA987783A; FR2171256A1; US3878523A; GB1416364A; NL7301724A; AU5162173A; AU469466B2; SE388722B; JPS4891952A; FR2171256B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne zur Erzeugung von abtastenden Radiorichtstrahlen. Sie betrifft insbesondere eine Antenne, mit der planare Strahlen im Raum durch große Winkel geschwenkt werden können, ohne daß die Antenne selbst geschwenkt oder bewegt wird.

Antennen dieser Art finden z. B. bei Radio-Ortungssystemen, die abtastende Strahlen aussenden
und bei Radio-Navigationssystemen Verwendung, bei denen ein weitreichendes Muster von "Signalen im

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ORIGINAL INSPECTED

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Raum" zur Führung von Fluggeräten und Schiffen erzeugt wird. Obwohl die Verwendung derartiger Antennen nicht auf Navigationssysteme in der Luft begrenzt ist (andere Anwendungen schließen Radar- und Kommunikationssysteme ein), wird die Erfindung zum Zwecke des besseren Verständnisses daher in Beziehung auf solche beschrieben.

Die Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA) der Vereinigten Staaten hat zur Konstruktion eines auf dem Boden befindlichen Übertragungssystemes aufgerufen. Dieses soll ein solches Muster von Signalen im Raum liefern, daß ein Luftfahrzeug, das sich einer Landebahn aus einem azimutalen Winkel von bis zu 6o auf beiden Seiten der Mittellinie der Landebahn und aus einem Höhenwinkel von bis- zu 20 nähert, von dem Muster geführt werden kann. Eine azimutale Erfassung nach hinten von kO auf beiden Seiten der Landebahn ist weiterhin für Luftfahrzeuge wünschenswert, welche die Landung verfehlen. Außerdem sollen die dem Luftfahrzeug vom System übermittelten Informationen eine solche Frequenz aufweisen, daß die Daten fünfmal pro Sekunde auf den neuesten Stand gebracht werden. Nach der Prüfung der verfügbaren Systeme kam die RTCA zu dem Schluß, daß zur Lösung der vorgenannten Aufgabe große, mechanisch gedrehte Antennen benötigt werden, um ein zufriedenstellendes, elektronisch abtastendes System zur Erzeugung eines Musters von planaren Riehtstrahlen bauen zu können. Insbesondere wurde einem System der Vorzug gegeben., das aus zwei Antennen bestand, die bis zu 20 Fuß (6,10 m) breit, Rücken an Rücken montiert waren und mechanisch mit 2 1/2 U/Sek. gedreht wurden (5 U/Sek., wenn nicht die Rückeh-an-Rücken-Anordnung benutzt wurde). Ein solches System liefert einen planaren Rieht-

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strahl, hat aber nicht die geometrische Genauigkeit, die erforderlich ist, wenn man ein zeitkodiertes System benutzen will. Es ist daher darauf angewiesen, ein azimutal gesteuertes, frequenzkodiertes Signal auszusenden, welches eine besonders große Bandbreite in Anspruch nimmt und eine mühsame Signalverarbeitung im Luftfahrzeug erfordert.

Ein Beispiel einer nichtmechanischen Methode zur Erzeugung von Signalen im Raum ist das "Doppler"-Syetea, bei dem getrennte Antennenelemente - üblicherweise ungefähr 100 - in linearer Anordnung der Reihe nach erregt werden und so eine sich bewegende Strahlungsquelle simulieren. Jedes Element wird der Reihe nach angeregt. Unter jedem *inkel von der Anordnung aus gesehen, wird eine andere Frequenz gemessen. Dieses System verlang jedoch, daß eine genaue Phasenbeziehung der Radiofrequenz zwischen den einzelnen Elementen eingehalten wird. Da außerdem konische Richtstrahlen erzeugt werden, ist eine zweite lineare Anordnung senkrecht zur ersten erforderlich, um ein iplanares Strahlensystem zu simulieren. Die Daten der zwei Antennenanordnungen müssen in einem Computer aufgearbeitet werden, der in jedem Luftfahrzeug, welches das System benutzt, mitgeführt wird.

Ein anderes Richtstrahlen erzeugendes System, das zur Navigation von Luftfahrzeugen vorgeschlagen wurde, benutzt eine phasengesteuerte Anordnung. Bei diesem System wird eine lineare Anordnung von Antennenelementen von einer gemeinsamen Quelle angeregt. Zwischen den Elementen und der Quelle wird jedoch eine verschiede-

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ne, progressive Zeitverzögerung eingeschaltet. Die Zeitverzögerungen können verändert werden und so können abtastende Richtstrahlen erzeugt werden. Aber wiederum ist eine sehr genaue Radiofrequenz-Phasensetzung erforderlich, und der Strahl ist konisch statt planar.

Ein weiteres System, daß zur Erzeugung von abtastenden schmalen Richtstrahlen vorgeschlagen wurde, erhielt man dadurch, daß ein Spiegel mit. der Form einer Kugelfläche (welche über einen begrenzten Öffnungswinkel hinweg einem Paraboloid in der Gestalt ähnlich genug ist, um zu einer effektiven Fokussierung zu kommen), bestrahlt wird. Der Richtstrahl wird dadurch geschwenkt, daß das abstrahlende Bauteil im Brennpunkt physikalisch entlang eines Brennbogens bewegt wird, der im Mittelpunkt des Kreises zentriert ist. Ein Beispiel dieser Methode, abtastende Richtstrahlen mit ebenen Wellenfronten zu erzeugen, läßt sich in der Veröffentlichung von J. Ashmead und A.B. Pippard in J. Inst. Elec. Eng. 93, Teil 3A, Seiten 627-632, Jg.19^6 finden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antenne ohne bewegliche Bauteile zur Erzeugung von abtastenden planaren Radiorichtstrahlen bereitzustellen, und auch eine Methode zur Erzeugung solcher Radiorichtstrahlen aufzuzeigen. Außerdem ist es, ein Ziel einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung, Systeme, wie Luftfahrt-Navigationssysteme (einschließlich Instrumenten-Landesystemen) bereitzustellen, die abtastende planare Radiorichtstrahlen benutzen. In

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einem besonderen Beispiel führt die vorliegende Erfindung zu einem Instrumenten-Landesystem, welches die von der RTCA vorgeschlagenen Minimalforderungen erfüllt und welches eine Zeitkodierung zur Winkelmessung benutzt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Antenne zur Erzeugung von abtastenden Richtstrahlen besteht aus

einem Reflektor mit einer Oberfläche, welche gleich einem Teil der Oberfläche ist oder diese annähert, die man erhält, wenn man eine erzeugende Kurve endlicher Länge um eine Achse dreht, wobei der Reflektor so angeordnet ist, daß die genannte Achse gleichzeitig die Drehachse des Richtstrahls ist, und aus

einer Vielzahl von Abstrahlelementen, die entlang eines Bogens mit Mittelpunkt auf der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes Element so angeordnet ist, daß es auf den Reflektor abstrahlt, und daß diese Strahlung von einem Teil des Reflektors zurückgeworfen wird,

wobei ein Richtstrahl, der von der Antenne ausgeht, durch einen Winkelbereich geschwenkt wird, indem die Elemente der Reihe nach angeregt werden.

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Die vorliegende Erfindung baut also auf der fokussierenden Wirkung eines Spiegels mit kreisförmigem Querschnitt auf» Das Schwenken wird aber dadurch erzeugt, daß die physikalische Bewegung des abstrahlenden Bauteils simuliert wird, indem viele, eng benachbarte strahlende Elemente entlang eines Bogens fortschreitend angeregt werden«, Anstatt einen kugelförmigen Spiegel zu verwenden, der einen schmalen, bleistiftförmigen Richtstrahl ergibt, benutzt die vorliegende Erfindung einen zylindrischen oder nahezu zylindrischen Spiegel, der zur Erzeugung eines schmalen, fächerförmigen (planaren) RiehtStrahls führt.

Je nachdem, ob die Winkelöffnung der primären Strahlung der Abstrahlelemente klein oder relativ groß ist, besteht die sekundäre (reflektierte) Strahlung aus einem bleistiftförmigen oder einem planaren Strahl. Die Kurve des Reflektors kann eine Parabel oder ein Kreis oder von irgendeiner anderen Gestalt sein. In ihrer einfachsten Form ist die erzeugende Kurve eine gerade Linie, d.h., der Reflektor hat die Oberfläche eines senkrechten Zylinders. In \^rielen Beispielen jedoch, besonders bei horizontal (azimutal) abtastenden Richtstrahlen, wo es wünschenswert ist, den Strahl in der vertikalen Ebene zu formen, ist es jedoch notwendig, der Kurve eine bestimmte Gestalt zu geben, um die Energie des reflektierten Strahls in einem bestimmten Winkelbereich zu verteilen. Beispielsweise kann erhöhte Empfindlichkeit in geringen Höhenwinkeln erreicht, gleichzeitig Reflexion am Boden vermieden werden, wenn der Reflektor so gestaltet ist, daß das Leistungs-

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Polardiagramm des Sekundärstrahls näherungsweise ein cosec -Muster ist. (Einige wichtige Ergebnisse über die Geometrie von solchen Spiegeln wurden von L.J. Dolan, im Report Nr. RADC-TR-59-231 der Radiation Engineering Laboratory vom 1. Dezember 1959.berichtet.)

Bei einer vorzugsweisen Ausführung einer Antenne, die ein Höhenwinkelsignal erzeugt, hat der Reflektor im wesentlichen die Gestalt eines senkrechten Kreiszylinders, aber mit einem abgewandelten, beispielsweise parabolischen Mittelstück.

Wenn die Kurve, die um eine Achse gedreht wird, und so die Form der Reflektoroberfläche bildet, im wesentlichen eine gerade Linie ist, werden die Speiseelemente vorzugsweise in einer Entfernung vom Reflektor angeordnet, die ungefähr gleich dem halben Radius des Rotationskreises dieser Linie ist.

Einen schrittweise abtastenden planaren Richtstrahl erhält man dadurch, daß man jedes Speiseelement der Reihe nach betätigt. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, erhält man ein quasi-kontinuierliches Abtasten durch den planaren Richtstrahl, indem gleichzeitig verschiedene, beispielsweise vier, nebeneinanderliegende Speiseelemente mit einer bestimmten Modulation angeregt werden. Es wurde gefunden, daß es zu einem quasi-kontinuierlichen Abtasten führt, wenn man die Anregung von jedem gespeisten Element so moduliert, daß die ausgestrahlte Leistung als Funktion der Zeit nach einer Funktionsklasse beispiels-* weise cos sich verändert.

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Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch eine Methode, einen Radiorichtstrahl zu erzeugen und durch den Raum um eine gegebene Achse zu schwenken. Diese Methode besteht darin, der Reihe nach eine Reihe von feststehenden Anteimen-Speiseelementen anzuregen, die um die genannte Achse so angeordnet sind, daß sie eine Reihe von Primärstrahlen aussenden. Die genannten Primärstrahlen werden von den entsprechenden Teilen eines gemeinsamen Reflektor-Antennenelements reflektiert, dessen Form ein Teil der Oberfläche ist, die durch die Drehung einer Kurve um die genannte Achse erzeugt wird.

Insoweit, als die Antenne und die Methode nach der vorliegenden Erfindung bei Radarsystemen, Kommunikationssystemen und ähnlichem verwendet werden kann, können die Speiseelemente teilweise oder völlig durch Empfangselemente ersetzt sein.

Die Zahl der strahlenden Speiseelemente ist vorzugsweise größer als 10. Bei einem System, dessen Strahlbreite 1 beträgt, werden üblicherweise 64 Elemente für einen Winkelbereich von k*y verwendet (d.h., die Winkelversetzung der Speiseeleinesite ist ungefähr 0,7 )· Die Speiseelemente sind im allgemeinen auf einem Kreisbogen angeordnet (bei Spezialantennen können sie anders angeordnet sein). Bei einem System, das ein azimutales Signal erzeugt, sind sie üblicherweise so versetzt, daß sie außerhalb des Strahlungsweges vom Reflektor liegen. Bei einem System, das ein Höhenwinkel signal erzeugt, ist es u.U. nicht möglich,

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die Speiseelemente außerhalb des Reflektionsbereichs anzuordnen. Es kann daher wünschenswert sein, die Blockierung der Strahlung durch die

en Speiseelemente durch Vorkehrung/zu kompensieren, die unten beschrieben werden.

Bei einem System, das ein Höhenwinkelsignal erzeugt, kann der horizontale Erfassungswinkel des fächerförmigen Richtstrahls dadurch vergrössert werden, daß die horizontale Länge des Zylinders vergrößert wird. Wenn man diese Länge zur Erfassung eines vorgegebenen, horizontalen Winkelbereichs reduzieren will, kann der Reflektor konvex (von der Brennpunktsseite gesehen) gekrümmt sein, obwohl diese Vorkehrung zu einer gewissen Verschlechterung der Strahlbreite führen kann. Alternativ dazu, kann ein sekundärer Reflektor oder eine Linse im. Strahlungsweg vom primären Reflektor benutzt werden, um den Fächerwinkel des planar en Strahls aufzuweiten.

Die Strahlungsfrequenz kann irgendeinen geeigneten Wert haben, Frequenzen im C-Band oder K Band werden jedoch im Falle von Instrumenten-Landesystemen für die geeignetsten gehalten. Die Schaltung der Speiseelemente kann durch bekannte elektronische Mittel ausgeführt werden, beispielsweise durch Diodenschaltung oder durch eine Schaltung, die Anordnungen mit Ferriten benutzt. Der Strahl kann durch ein Zeitsystem oder durch irgendeinen anderen geeigneten Code identifiziert werden. Bei einer Zeit-identifizierten Anordnung kann eine schrittwei-

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se oder eine kontinuierliche Abtastung benutzt werden, um die Drehung des Strahls zu bewirken. In beiden Fällen kann.eine Abtastung in einer oder in zwei Richtungen angewandt werden.

Bei der azimutalen Antenne kann ein ebener Spiegel verwendet werden, der zusätzliche Informationen für ein Instrumenten-Landesystem liefert.

Die vorliegende Erfindung umfaßt auch Instrumenten-Landesysteme und andere Luftfahrt-Navigationssysteme, Verfolgungssysteme, Radar- und Kommunikationssysteme, welche die abtastende Antenne und die Methode dieser Erfindung enthalten.-Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung ein Instrumenten-Landesystem, welches in einem einfachen Ausführungsbeispiel eine erste Antenne der oben beschriebenen Form hat, die so eingerichtet ist, daß sie einen planaren Richtstrahl erzeugt, die in azimutaler Richtung abtastet. Sie hat außerdem eine zweite Antenne der oben beschriebenen Form, die so eingerichtet ist, daß sie einen zweiten planaren Richtstrahl erzeugt, welcher die vertikalen Höhenwinkel abtastet. Die Erzeugung der planaren Richtstrahlen geschieht so, daß sie vom Luftfahrzeug zur Navigation und/oder zu Landezwecken verwendet werden können.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeipiele der vorliegenden Erfindung beschrieben:

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Die Fig. la zeigen schematisch die Draufsicht bzw. Seitenansicht einer Antenne, die ein azimutales Signal erzeugt und ihrer Art nach in einem Instrumenten-Landesystem verwendet werden kann.

Die Fig. 2a sind eine schematische Draufsicht

bzw. Seitenansicht einer abgewandelten Antenne, die ein azimutales Signal erzeugt und eine zuriickref lektierende Anordnung enthält.

Die Fig. Ja sind eine schematische Draufsicht

bzw. Seitenansicht einer Antenne, die ein Höhenwinkelsignal erzeugt.

Die Fig. k erläutert, wie die Speiseelemente

zu verschiedenen Zeitpunkten gespeist werden, um ein quasi-kontinuierliches Abtasten zu erhalten.

Die Fig. 5 zeigt eine Form der Modulatoranordnung, die zur Leistungsmodulation verwendet werden kann, und

die Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines Zyklusses

von parallel verlaufenden funktioneilen Operationen bei einem Landesystem, das auch als Gebiet-Navigationssystem geeignet ist.

In Fig_t la wird ein Reflektor 3 in» Querschnitt gezeigt. Kr hat die Symmetrieachse C. Die Strahlungsel-e-

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Meute R(I)₉ R(2), „.., R(n) <, ° .> , R(W) sind in einem Abstand angeordnet, der gleich dem halben Radius des erzeugenden Kreises des Reflektors ist, tind sind so eingerichtet, daß sie auf ein Segment des Reflektors 3 zu strahlen» Weil die Geometrie von Kreis und Parabel über kleine Winkel hinweg im wesentlichen gleich ist, wird ein gut gebündelter , paralleler Strahl von der Oberfläche des Reflektors 3 reflektierte Die Winkelverteilung des' Strahls in vertikaler Richtung hängt von den Gestalt des Reflektors 3 in der vertikalen Ebene ab. In Fig« Ib ist diese Gestalt eine gerade Linie, Aber wie oben angedeutet -wurde und wie beispielsweise in Figo 2 geneigt wird, kann es sich um jede gewünschte Gestalt handeln. Indem jedes Strahlungselement R(I)₉ ... R(n), .ο» R(N) der Reihe nach an- und abgeschaltet wird, wird ein Strahl aufgebaut, der von einer Extremlage zur anderen schwenkt, d.h., von Strahl. Ö(l) zu Strahl B(N) in Figo la. Bei einem Instramenten-Landesystem beispielsweise, das azimutale Strahlen mit einem Öffnungswinkel von einem Grad liefert, und über 120 geschwenkt wird, siäid_ zur zufriedenstellenden Wirkungsweise ungefähr 200 Elemente R(n) nötig«

Wie isi den Figo Ib und 2b gezeigt wird, sind die Elemente vorzugsweise" unterhalb des Reflektors angeordnet, so daß sie den Strahl nicht behindern.

In der Ausführung nach den Figuren 2a und 2b hat der Reflektor 3 wahlweise ein zusätzliches Hef lektoz-teil JA, das an seinem oberen Ende angebracht

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ist (es könnte bei anderen Ausführungen auch unten angeordnet sein). Der Reflektor 3 ist so geformt, daß Strahlung, die von einem Element R(n) ausgeht, über den Höhenwinkel des sich nähernden Luftfahrzeuges reflektiert wird (im allgemeinen über 20°). Die vom Reflektorteil 3A reflektierte Strahlung fällt auf einen Spiegel k, typischerweise einen ebenen Spiegel, der so oberhalb des Hauptstrahls angeordnet ist, daß er die einfallende Strahlung nach hinten in einen Winkel reflektiert, der von der Horizontalen bis zu einem Höhenwinkel reicht, der durch die Gestalt des Teiles 3A bestimmt ist. Eine solche azimutale Information wird für Luftfahrzeuge benötigt, die über die Landeposition hinausfliegen und nicht landen können. Diese Ausführung kann jedoch nur benutzt werden, wenn die Höhen des primären Reflektors 3 und des Rückreflektors h zusammen die maximale Hindernishöhe des Flughafens nicht überschreitet. Zur Versorgung mit Informationen beim Überfliegen wird daher im allgemeinen vorgezogen, zwei azimutal sendende Antennen an beiden" Enden der Rollbahn anzuordnen, wobei jede der Rollbahn entlang ausgerichtet ist.

Eine getrennte Antenne, die im wesentlichen die gleiche zylindrische optische Anordnung und Vielzahl von Elementen benutzt, wie die oben beschriebene azimutale Antenne, kann zur Erzeugung planarer Riehtstrahlen benutzt werden, die vertikal schwenken. Bei dem von der RTCA geforderten Instrumenten-Landesystem soll ein Richtstrahl, der in der Horizontalen eben ist und einen Öffnungswinkel von 120° hat, vertikal um 20 geschwenkt werden. Eine Form einer

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den Höhenwinkel abtastenden Antenne ist in den Fig. 3a und 3b gezeigt. Eine Vielzahl toh breitwinkligen Elementen 3i ist in halbem Abstand des Radiusses eines zylindrischen Reflektors 30 angeordnet, Wenn die Elemente 3I keinen breitwinkeligen (beispielsweise 60 ), fächerartigen Richtstrahl erzeugen können, kann der reflektierte Richtstrahl aufgeweitet werden, indem eine Linse in den zu reflektierten Strahl eingebracht wird. Zu diesem Zweck ist eine konventionelle Linse geeignet« Andere Vorrichtungen, um die Breite des fächerartigen Richtstrahls aufzuweiten, können darin bestehen, den Reflektor JO so zu gestalten, daß er· dem von. den Elementen Jl ausgehenden Strahl eine konvexe Oberfläche bietet»

Ein Problem bei der Benutzung von. zylindrischen Reflektoren ist es, daß die Elemente den reflektierten Strahl versperren, wenn sie innerhalb des Weges des reflektierten Strahles liegen, und daß sie so in bestimmten Richtungen die Intensität der Sekundärstrahlung verringern können. Dies ist bei Navigationssystemen von Luftfahrzeugen unerwünscht. Es kann jedoch dadurch vermieden werden, daß der Reflektor 30 in seinem Mittelstück so geformt wird, wie es durch die Kennziffer 32 gezeigt ist. Das Reflektormittelstück ist also in seinem von oben nach unten laufenden Bereich konkav gewölbt. Der resultierende reflektierte Richtstrahl hat dann im wesentlichen in seinem mittleren Teil eine ebene Wellenfront, die von den Elementen nur minimal gestört wird.

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Um bei der Winkelmessung mit Instrumenten-Landesystemen optimale Genauigkeit zu erhalten, ist es wichtig, daß die Amplituden der Signale, die im Raum in verschiedenen Richtungen ausgestrahlt werden, gleich groß gehalten werden. Ein Merkmal der Antennen nach der vorliegenden Erfindung ist es, daß in der Praxis die Strahlmitten, die von den einzelnen Elementen erzeugt werden, durch einen einzigen Punkt laufen. Dieser ist im Falle der in den Fig. la bis einschließlich Jh gezeigten Anordnungen auf der Symmetrieachse C des Reflektors gelegen. An diesem Punkt kann daher ein einziger Detektor angeordnet und an einen konventionellen Fehler-Korrektor gekoppelt werden, um die Amplitude der Strahlung im Richtstrahl konstant zu halten.

Bei der Verwendung in einem Instrumenten-Lande-System können die verschiedenen Richtstrah]en voneinander unterschieden werden, indem (a) die verschiedenen Richtstrahlen zu verschiedenen Zeiten in einer bekannten Folge angeregt werden, insbesondere in einer einfachen, fortlaufenden Folge, die dazu führt, daß der Richtstrahl um die Achse dreht, oder (b) indem jeder Richtstrahl durch Modulation oder Frequenzveränderung mit einem Code versehen wird. Der erste Fall wird hier ein "zeitkodiertes System" genannt. Bei diesem kann kontinuierliches oder quasi-kontinuierliches Abtasten dadurch erreicht werden, daß eine Gruppe von Elementen mit geeignet moduliertes Intensität fortschreitend angeregt wird. Wo kontinuierliches Abtasten nicht benötigt wird, kann das einfachere,, schrittweise Abtasten verwen-

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det werden. Dabei wird jedes einzelne Element der Reihe nach angeregt.

Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß kontinuierliches oder quasi-fcontinuierliches Abtasten in zufriedenstellender Weise dadurch erreicht wird, daß von vier Elementen gleichzeitig Leistung ausgesandt wird, wobei die Leistung als Funktion der Zeit geeignet moduliert wird (beispielsweise cos ), wie es in Fig. 4 gezeigt wird. Die quasi-kontinuierliche Art der Anregung wird dadurch erreicht, daß sich das Anregungsmuster kontinuierlich entlang dem System gespeister Elemente bewegt.

Das Schaltsystem, das die Modulation der Elemente bewirkt, kann irgendeine geeignete Vorrichtung sein. Ferrit-Schalter haben sich als zufriedenstellend herausgestellt, aber es können auch Schaltvorrichtungen mit Dioden verwendet werden. In Fig. 5 wird eine Anordnung von Modulatoren für eine Antenne mit 32 Elementen gezeigt. In dieser Anordnung sind alle Verbindungen der Wellenleiter in derselben Ebene und es werden keine rechtwinkeligen Verbindungen benötigt. Blockierprobleme an Offnungen werden minimalisiert, jedoch um ein Schwenken des Strahls zu erreichen, wird eine Art von kontinuierlicher Modulation benötigt. Die Ausgangsleistung der einzelnen Elemente wird durch die Wellenform der Ströme bestimmt, die an die Modulatoren gelegt werden.

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Bei einem zeit-kodierten System können Systeme verwendet werden, die den Strahl in einer oder in zwei Richtungen drehen. Bei einem typischen System, das in einer Richtung arbeitet, wird zu Beginn des Abtastens oder vorher zu einer bekannten Zeit nach allen Richtungen ein Referenzimpuls ausgesandt. Die N gespeisten Elemente (oder Gruppen davon) werden dann von R(l) bis R(N) angeregt. Am Ende dieser Folge wird ein neuer Referenzimpuls ausgesandt und die Folge wird wiederholt.

Bei einem in zwei Richtungen arbeitenden System, werden die Elemente von R(I) bis R(N) angeregt und danach wird die Anregung umgekehrt von R(N) bis R(l). Ein nach allen Richtungen gerichteter Referenzimpuls als Teil des Winkelmeßsignals wird nicht benötigt. Die Ungewißheit, in welche Richtung ein Richtstrahl geschwenkt wird, wenn ein Impuls von einem Empfänger' im Raum, der vom Richtstrahl überstrichen wird, empfangen wird, wird durch die Verwendung eines Funktions-Identifikationssignals vermieden. Als solches kann,die Kombination von 3FM-Tönen auf dem abtastenden Riehtstrahl dienen, wobei die Tonkombination für Jede Funktion verschieden ist, oder in den Fällen, wo keine Funktions-Identifikation benötigt wird und die Pause zwischen den Sendungen die Abtastperiode überschreitet, indem man die kürzeste Zeit zwischen den Impulsen verwertet. Ein bevorzugtes Signalformat ist das "Hin-Hin-Zurück"-gepulste System ("To-to-fro"). Bei diesem wird zuerst vom Element R(l) zum Element H(N) geschwenkt, dann noch einem von R(I) zu R(N), unmittelbar gefolgt von e,inem Schwenken von R(N) zu R(I). Die Funktionsidentifikation kann dadurch er-

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reicht werden, daß die Pause zwischen dem ersten "Hin^M-Schwenken und dem zweiten "Hin"-Scfawenken variiert wird.. Zusätzliche Information kann dadurch aufkodiert werden, daß diese Pause iron Abtastvorgang zu Abtastvorgang variiert

Die azimutale Komponente eines Gebiets-Navigationssystems für Luftfahrzeuge kann unter Verwendung der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden. Typischerweise werden drei Antennen benötigt, um den vollen Azimutalwinkel von 36O zu erfassen.

Fig. 6 zeigt eine Art, wie die zeitverteilten Funktionsoperationen bei einem zusammengesetzten Landesystem aufgebaut werden können. Dieses System sieht" zwei azimutale Abtastungen von jeweils I80 vor (das zweite ist ein rückwärtiges azimutales Signal für einen verfehlten Landeanflug). Es folgen drei Abtastungen des Höhenwinkels, wobei das letzte Höhenwinkelsignal für einen verfehlten Landeanflug gedacht ist. Die Geschwindigkeit, mit der die Daten aufs Laufende gebracht werden, beträgt 20 Wiederholungen/Sek. bei einer Abtastgeschwindigkeit von ^O Mikrosekunden pro Grad Schwenkwinkel.

Bei einem in einer Richtung arbeitenden zeitkodierten System wird eine getrennte, in allen Richtungen ausstrahlende Antenne für jede Funktion benötigt. Sie sendet einen Synchronisationsimpuls und Referenzdaten. Bei einem in zwei Richtungen arbeitenden System vird eine in allen Richtungen sen-

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dende Antenne nicht benötigt, es sei denn für Referenzdaten (in diesem Falle ist das "timing" nicht kritisch und für alle Funktionen des gesamten Lande- oder Navxgatxonssystems kann eine in alle Richtungen sendende Antenne verwendet werden). Wenn eine Rückspiegelanordnung verwendet werden soll, um beim Überfliegen Information zu liefern, muß die in alle Richtungen sendende Antenne in zwei Antennen aufgespalten werden, die jeweils den halben Raumwinkel erfassen.

Eine Form der vorliegenden Erfindung besteht also aus einem Instrumenten-Landesystem oder Gebiets-Navigationssystem für Luftfahrzeuge. Dieses System hat mindestens eine azimutale und eine Höhenwinkel-Antenne. Jede Antenne hat axiale Symmetrie und wird von einer Vielzahl von Zuführungen gespeist, so daß sich planere Richtstrahlen wie oben beschrieben ergeben. Jede Antenne enthält einen Signalüberwacher, der den von ihr ausgesandten Richtstrahl abfängt. Er erzeugt ein Ausgangssignal, das einen Fehlerkorrektor kontrolliert. Dieser wirkt so, daß er eine konstante Amplitude der ausgesandten Strahlung sicherstellt. Zusätzlich kann das System einen Sender nach allen Richtungen haben, um Identifikations- und Hilfsdaten zu übertragen.

Bei Anordnungen aif Flughafen kann es so aussehen, daß die Erzeugung des azimutalen Signals auf zwei Antennen verteilt wird, jeweils eine an den beiden Enden der Rollbahn, die abwechselnd geschwenkt oder auf verschiedenen Frequenzen betrieben werden. Diese

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Anordnung läßt zu, daß der azimutale Teil des vorgeschlagenen Landesystems gleichzeitig mit einem vorhandenen Instrumenten-Landesystem betrieben wird. Sie verringert die Störanfälligkeit, da nur, wenn beide Antennen ausfallen, azimutale Information verloren geht. Die Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß die Antennen auf Türmen montiert werden können,,ohne die betrieblichen Höhenbeschränkungen zu verletzen. Dadurch wird das Problem erleichtert, in der Nähe der Aufsetzzone am Anflugende der Rollbahn eine geeignete Signalstärke zu erhalten.

Kleine Luftfahrzeuge können den Mittelwert der beiden Signale bilden und der Mittellinie entlangfliegen, genauso, wie vorhandene Landekurssysteme benutzt werden.

Die Vorteile von Systemen, welche die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Antenne und damit erzeugte planare (fächerförmige) Richtstrah— .len verwenden, - wie die rasche Erneuerung der Daten und das Fehlen einer kritischen Phasenanpassung von rotierenden Teilen - sind auch bei anderen Anwendungen wertvoll. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung bei rasch abtastenden Radar- und Kommunikationssystemen verwendet werden, die einem einzelnen azimutalen Richtstrahl (oder Gruppen von Richtstrahlen) verwenden, wobei verschiedene Botschaften beinahe gleichzeitig ohne das Risiko der Verwirrung an verschiedene Bestimmungsorte übermittelt werden können.

- 21 ANSPRÜCHE

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Claims

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ANSPRUCHE

Antenne zur Erzeugung eines abtastenden Radiorichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus einem Reflektor mit einer Oberfläche, welche gleich einem Teil der Oberfläche ist oder diese annähert, die man erhält, wenn man eine erzeugende Kurve endlicher Länge um eine Achse dreht, wobei der Reflektor so angeordnet ist, daß die genannte Achse gleichzeitig die Drehachse des Richtstrahls ist, und aus einer Vielzahl von Abstrahlelementen,die entlang eines Bogens mit Mittelpunkt auf der Drehachse angeordnet sind, wobei jedes Element so angeordnet ist, daß es auf den Reflektor abstrahlt, und daß diese Strahlung von einem Teil des Reflektors zurückgeworfen wird, wobei ein Richtstrahl, der von der Antenne ausgeht, durch einen Winkelbereich geschwenkt wird, indem die Elemente der Reihe nach angeregt werden.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlelemente jeweils einen gebündelten Richtatrahl erzeugen, wobei die reflektierte Strahlung ein bleistiftförmiger Richtstrahl ist, der in einer Dimension abtastet.

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3· Antenne nach Anspruch 1, dadurch g e kenn ζ e i c hne t, daß die Abstrahlelemente jeweils einen Richtstrahl erzeugen, der in der Richtung parallel zur genannten Rotationsachse divergiert, wobei die reflektierte Strahlung einen ebenen, fächerförmigen Richtstrahl bildet mit der Fächerebene parallel zur genannten Rotationsachse.

km Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennzeic hn e t, daß die genannte Kurve von endlicher Länge eine gerade Linie ist, wobei die Reflektoroberfläche ein Teil eines sankrechten Kreiszylinders ist.

Antenne nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kurve endlicher Länge eine Linie ist, deren Gestalt so ist, daß die Energie der reflektierten Strahlung eine erwünschte Verteilung besitzt.

6. Antenne nach Anspruch 3» dadurch g e kennz eichne t, daß die genannte Kurve von endlicher Länge eine solche Gestalt hat, daß das Leistungs-Polardiagramm

2 der reflektierten Strahlung sich einem cosec Muster in der Ebene des Fächers annähert.

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7. Antenne nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g ekennzeichnet, daß eine zweite reflektierende Oberfläche einen Teil des reflektierten Strahlung abfängt und die abgefangene Strahlung in die Richtung hinter den ersten Reflektor zurückwirft.

8. Antenne nach Anspruch 7» dadurch g e -

kennzeichne t, daß die genannte

zweite reflektierende Oberfläche ein ebener
Reflektor ist.

Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis kj dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse in den Weg des zu reflektierenden Richtstrahls eingesetzt wird,
um die Winkelöffnung des reflektierten Strahls in einer Dimension aufzuweiten.

IO. Antenne nach Anspruch k_y dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück des Reflektors so geformt ist, daß die reflektierte Strahlung durch die Elemente, die im Strahlungsweg liegen, weniger gestört wird,

11. Antenne nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die einfallende Strahlungsleistung ansprechender Detektor im

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wesentlichen auf der Symmetrieachse der reflektierten Strahlung angebracht ist, um den abtastenden Richtstrahl zu überwachen.

12. Antenne nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η-zeichnet , daß der genannte Detektor an einen Fehler-Korrektor gekoppelt wird, um eine konstante Amplitude der reflektierten Strahlung aufrechtzuerhalten.

13· Antenne nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeic hn e t, daß Vorrichtungen vorgesehen sind, die jedes Element der Reihe nach anregen, wodurch ein schrittweises Abtasten des Riehtstrahls, der von der Antenne zurückgeworfen wird, erreicht wird.

Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeic hn e t, daß Vorrichtungen vorgesehen sind, die eine Gruppe von nebeneinanderliegenden Elementen der Reihe nach in Übereinstimmung mit einem vorausbestimmten Modulationsmuster anregen.

15. Antenne nach Anspruch l4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von Elementen vier Elemente umfaßt, und daß die jedem Element zugeführte Leistung als Funktion der Zeit wie eine cos -Funktion moduliert wird.

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l6. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 13, l4 oder 15, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Vorrichtung zur Anregung eine einzige Leistungsquelle hat, die mit jedem Element durch Wellenleiter verbunden ist, und Vorrichtungen besitzt, um die Leistung von der Quelle zu ausgewählten Elementen zu schalten.

17· Antenne nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung aus einer Vielzahl von Ferrit-Schaltern oder Dioden-Schaltern besteht.

l8. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihe nach eine Vielzahl von räumlichjfesten gespeisten Antennenelementen angeregt werden, die in einem Bogen um eine Achse so angeordnet sind, daß sie eine Reihe von Primärstrahlen aussenden, wobei die genannten Primärstrahlen von entsprechenden Teilen eines gemeinsamen Reflektors reflektiert werden, dessen Gestalt ein Teil der Oberfläche ist, die man erhält, wenn man eine Kurve um die genannte Achse dreht.

19· Antenne nach Anspruch l8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einzelne Element abwechselnd angeregt wird, wodurch

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ein schrittweise abtastender !lichtstrahl erhalt en wird.

20. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch- gekennzeic h·»· net, daß die Anregung der gespeisten Elemente durch die Leistung einer Quelle bewirkt wird, die über ein verzweigtes Netzwerk mit jedem Element verbunden ist und die an das jeweils gewünschte Element geschaltet wird.

21. Antenne nach Anspruch 20, dadurch g e kennz eichne t, daß das Schalten durch Ferrit-Schalter oder Diodenschalter bewirkt wird.

22. Antenne nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor Teil eines Kreiszylinders ist und die Abstrahlelemente in einem Kreisbogen im .hai— ben Abstand zur Achse des Kreiszylinders angeordnet 'sind.

23· Antenne nach Anspruch 22, dadurch ge — kennz eichne t, daß die "Abstrahlelemente unterhalb des Reflektors angeordnet sind.

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24. Antenne nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichne t, daß der Reflektor im Querschnitt kreisbogenförmig ist, im Längsschnitt dagegen in dem den Elementen benachbarten Teil und von diesen aus gesehen konkav und in dem den Elementen entfernten Teil konvex ist.

25· Antenne nach Anspruch 2k, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des konvexen Teils und in Abstand zu diesem ein weiterer ebener Reflektor angeordnet ist.

26. Antenne nach Anspruch 22, dadurch g e kennzeichne t, daß bei im Reflektionsstrahl angeordneten Elementen der Reflektor in dem in der Verlängerung zwischen der Achse und den Elementen liegenden Teil konkav ist.

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