DE2422031B2

DE2422031B2 - Drehfunkfeuer zur abstrahlung eines kardioidenfoermigen richtdiagramms

Info

Publication number: DE2422031B2
Application number: DE19742422031
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Ing. 7016 Gerungen Coors
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1974-05-07
Filing date: 1974-05-07
Publication date: 1977-01-13
Also published as: GB1505375A; DE2422031A1; FR2270691B3; IT1037867B; FR2270691A1

Description

Ein Drehfunkfeuer zur Abstrahlung eines rotierenden, in der Horizontalebene kardioidenförmigen Richt-

diagramms mit vier mehrfach gespeisten Strahlerelementea von denen Trägerenergie in Form eines Runddiagramms und Seitenbandenergie in Form von zwei orthogonal zueinander stehenden Doppelkreisdiagrammen abgestrahlt wird, wobei die Seitenbandener-

gie den Strahlerelementen von einem Sender über ein Goniometer zugeführt wird, ist mit einem mechanisch angetriebenen Goniometer aus der US-PS 27 13 163 und mit einem elektronischen Goniometer aus der DT-PS 15 91 628 bekannt

Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Drehfunkfeuer anzugeben, bei dem die Halbwertsbreite des Strahlungsdiagramms auf einfache Weise festgelegt werden kann, und bei dem die Halbwertsbreite innerhalb des gewünschten Frequenzbandes angenähert konstant bleib;.

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspmch 1 angegebenen Mitteln. Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorteile

Das erfindungsgemäße Drehfunkfeuer läßt sich sehr breitbandig auslegen, z. B. für das ganze TACAN-Frequenzband. Durch die neue Form der Antenne des Drehfunkfeuers kann das Richtdiagramm auch in der Vertikalebene in die gewünschte Form gebracht werden.

Das Drehfunkfeuer ist besonders zur Abstrahlung des mit 15 Hz umlaufenden TACAN-Grobdiagramms geeignet, das insbesondere beim Sektor-TACAN-Landesystem zur Sektorfindung benötig! wird.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Darstellung der Antenne;

Fig.2 die Horizontaldiagramme der einzelnen Komponenten;

F i g. 3a den relativen Fehler in der Funkbeschickung, verursacht durch azimutabhängige Phasenfehler in den Richtdiagrammen;

F i g. 3b den relativen Fehler in der Funkbeschickung, verursacht durch von den idealen Werten abweichende Halbwertsbreiten;

F i g. 3c den verbleibenden Fehler bei Überlagerung der Fehler nach F i g. 3a und F i g. 3b;

F i g. 4 die Vertikaldiagramme der Antenne im freien Raum.

Es wird zunächst der mechanische Aufbau der Antenne beschrieben. Die Antenne besteht hauptsächlieh aus zwei mit den Unterseiten gegenüberliegenden, waagrecht angeordneten, elektrisch leitenden, tellerförmigen Gebilden 1 und 2. Ihre gemeinsame Achse ist mit 3 bezeichnet. Die tellerförmigen Gebilde 1 und 2 haben je einen Rand 4 bzw. 5, ein Mittelteil 6 bzw. 7 und einen Boden 8 bzw. 9. An der Unterseite des oberen tellerförmigen Gebildes 1 ist eine leitende Platte 10 angebracht. Zur mechanischen Verbindung der beiden tellerförmigen Gebilde 1 und 2 dienen vier elektrisch

eitende Außenstäbe ti und ein Mittelstab 12. Die \ußenstäbe 11 wirken außerdem als Direktoren und werden daher im folgenden so genaniit Die Stäbe sind einerseits mit der Unterseite der Platte 10 und andererseits mit dem Boden 9 leitend verbunden. Die Mittelteile 6 und 7 bzw. die Böden 8 und 9 sind bei dem oberen tellerförmigen Gebilde 1 und bei dem unteren tellerförmigen Gebilde 2 gleich groß. Der Rand 4 ist schmäler als der Rand 5. Der Durchmesser der Platte 10 ist größer als der Durchmesser des Bodens 8. ,

An der Unterseite des unteren tellerförmigen Gebildes 2 sind zwei elektrisch leitende Hohlzylinder 13 und 14 konzentrisch zu der Achse 3 angebracht Der Durchmesser des ersten Hohlzylinders 13 ist kleiner als der Außendurchmesser des Randes 5. Seine Höhe beträgt etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge. Er ist an der Unterseite des Randes 5 befestigt Der Durchmesser des zweiten Hohlzylinders 14 ist gleich dem Außendurchmesser des Randes 5. Seine Höhe ist kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge. Die unteren Enden der beiden Hohlzylinder 13 und 14 sind durch einen elektrisch leitenden Kreisring 15 verbunden.

Auf der der Platte 10 gegenüberliegenden Seite des Bodens 9 des unteren tellerförmigen Gebildes 2 sind vier Strahlerelemente 16 auf einem Kreis um die Achse 3 jeweils um 90° versetzt angeordnet. Der Boden 9 dient als Gegengewicht für die Strahlerelemente 16.

Jedem Strahlerelement 16 ist einer der vier Direktoren 11 zugeordnet. Sie befinden sich jeweils auf den Schnittpunkten der Radialen durch die Strahlerelemente mit einem Kreis um die Achse 3. Der Mittelstab 12 dient zur Angleichung der Eingangswiderstände des Strahlersystems für die unterschiedlichen Erregungsformen der Strahlerelemente.

Zur Messung der Phase der HF-Signale sind zu den Strahlerelementen 16 dicht benachbarte Sonden 17 vorhanden.

Nachdem im vorhergehenden Teil der mechanische Aufbau der Antenne beschrieben wurde, wird jetzt die Funktionsweise anhand einer vereinfachten Ausführung der Antenne erläutert. Bei dieser Antenne fehlen die Hohlzylinder 13 und 14 und die Platte 10. Die Ränder 4 und 5 sind gleich breit.

In an sich bekannter Weise wird das in der Horizontalebene rotierende, kardioidenförmige Strahlungsdiagramm durch Überlagerung eines Runddiagramms mit einem umlaufenden Doppelkreisdiagramm erzeugt. Bei gleichphasiger Speisung der vier Strahlerelemente 16 ergibt sich ein nahezu ideales rundes Horizontaldiagramm. Die Unrundheit ist für d = \

kleiner als 0,1 dB, wobei t/der Abstand der Strahlerelemente und λα die Wellenlänge im freien Raum ist. Zwei Strahlerelemente auf einem gemeinsamen Gegengewicht und einem gegenseitigen Abstand von d < ^

erzeugen bei gegenphasiger Einspeisung ein Diagramm, das in der Horizontalebene näherungsweise eine Doppelkreisrichtcharakteristik aufweist. Werden zwei (,₀ solcher orthogonal zueinander angeordnete Strahlersysteme über ein Goniometer mit sin/cos modulierter HF-Energie gespeist, dann ergibt sich ein umlaufendes Doppelkreisdiagramm. Die einzelnen Komponenten des Horizontaldiagramms sind in F i g. 2 gezeigt. (,$

Die für die unterschiedlichen Erregungsfonnen benötigten Signale werden den vier Strahlerelementen iihrr ein im Unterteil der Antenne angeordnetes Speisesystem zugeführt Um eine einwandfreie Funktion des Gesamtsystems sicherzustellen, müssen die von der Antenne abgestrahlten HF-Signale im Fernfeld die richtige Phasenbeziehung zueinander aufweisen (korrekte vektorielle Addition der einzelnen Feldkomponenten in der Empfangsantenne). Hierzu müssen die auf den Strahlerelementen fließenden Ströme für das Runddiagramm gegenüber den Strömen für die Doppelkreisdiagramme eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.

Die Phasendifferenz wird vorteilhaft mit zu den Strahlerelementen 16 jeweils benachbarten Sonden 17 gemessen. Diese Sonden sind abgeschirmte Miniaturrahmenantennen, die nur auf das Magnetfeld der auf den Strahlerelementen fließenden Ströme ansprechen.

Wie bereits oben erwähnt, befinden sich vor den Strahlerelementen 16 die Direktoren 11. Durch diese Direktoren 11 wird das Runddiagramm etwas verformt. Die Unrundheit ist ±0,5 dB. Hierdurch entsteht aber kein Systemfehler, sondern nur eine geringe Schwankung des Modulationsgrades des abgestrahlten Signals.

In den nächsten Abschnitten wird die Aufgabe der Direktoren genauer beschrieben. Die ideale 3dB-Breite von 90° bzw. die 6dB-Breite von 120° ist ohne Direktoren nur für

zu erreichen. Sind Direktoren vorhanden, kann durch den gewählten Grad der Strahlungskopplung zwischen Strahlerelementen und Direktoren die Halbwertsbreite festgelegt werden. Die Strahlungskopplung ist proportional zum gegenseitigen Abstand Strahlerelement-Direktor.

In der Funkbeschickung sind, wie in Fig.3a gezeigt. Fehler vorhanden, die von Phasenfehlern im Richtdiagramm herrühren. Um diese zu kompensieren, wird die 3-dB-Breite auf einen Wert ungleich 90° festgelegt. Diese gewählte 3-dB-Breite verursacht einen Fehler gleicher Art aber entgegengesetzter Polarität (F i g. 3b). Der Restfehler, der nach Überlagerung dieser beiden Fehler verbleibt, ist für die Praxis vernachlässigbar (Fig. 3c).

Die Bemessung der Länge der Direktoren U und ihrer Abstände von den Strahlerelementen 16 ist so vorzunehmen, daß die Halbwertsbreiten innerhalb des gewünschten Frequenzbandes angenähert konstant bleiben. Wie bereits erwähnt, ist die Halbwertsbreite in erster Linie abhängig vom Grad der Ankopplung der Direktoren an die Strahlerelemente. In Verbindung damit hat auch die Stromstärke auf den Direktoren eiren Einfluß auf die Halbwertsbreite. Bei konstanter Kopplung ist die Stromstärke proportional zum

Verhältnis der Direktorlänge / zur Resonanzlänge y

die Direktorlänge /wenig kurzer als die Resonanzlänge λο/2, dann nimmt bei zunehmendem Ao das Verhältni: d/λο ab, d. h., die Strahlungskopplung nimmt zu Gleichzeitig wird die Differenz von Betriebswellenlängi zu Direktorlänge größer, d. h., das Verhältnis UX entfernt sich vom Idealwert 0,5. Somit wird di< Stromstärke auf den Direktoren kleiner. Diese beidei Effekte, die die Halbwertsbreite beeinflussen, sim entgegengesetzt und kompensieren sich. Dadurch bleib die Halbwertsbreile innerhalb der interessierende Bandbreite von 23% näherungsweise konstant.

Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, da Strahlungsdiagramm in der Vertikalebene anzuhebei

Hierzu ist die Antenne im Querschnitt unsymmetrisch ausgeführt und zwar so, daß die Breite des oberen Randes 4 kleiner ist als die Breite des unteren Randes 5.

Die Hauptstrahlrichtung ist näherungsweise senkrecht zur Verbindungslinie zwischen oberem Rand und unterem Rand. Bei dieser Weiterbildung sind die elektrischen Weglängen auf den oberen und unteren Innenseiten der Antenne verschieden lang. Um diesen Fehler auszugleichen ist auf dem Boden 8 des oberen tellerförmigen Gebildes die bereits im ersten Teil der Beschreibung beschriebene leitende Platte 10 angebracht, die für die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen entlang der Innenseite des oberen tellerförmigen Gebildes als Serieninduktivität wirkt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung wird das

IO

"5 Vertikaldiagramm unsymmetrisch gemacht, so daß die Strahlung nach negativen Elevationswihkeln Vermindert wird, wodurch die Reflexionen am Boden reduziert werden. Hierzu dienen die bereits beschriebenen Hohlzylinder 13 und 14. Diese beiden Hohlzylinder 13 und 14 stellen elektrisch eine am Ende kurzgeschlossene Leitung der Länge λ_ο/4 dar; sie wirken somit für das Hochfrequenzfeld wie ein (hochohmiger) Parallelresonanzkreis. Durch diese Maßnahme erscheint der äußere Rand des unteren tellerförmigen Gebildes gleichsam »isoliert« (Reduktion der Masseströme auf der Unterseite der Antenne). Die Folge ist ein bezüglich der Hauptslrahlrichtung unsymmetrisches Vertikaldiagramm. Das Vertikaldiagramm der Antenne mit dieser Weiterbildung ist in F i g. 4 gezeigt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Drehfunkfeuerantenne zur Abstrahlung eines rotierenden, in der Horizontalebene kardioidenförmigen Richtdiagramms mit vier mehrfach gespeisten Strahlerelementen, von denen Trägerenergie in Form eines Runddiagramms und Seitenbandenergie in Form von zwei orthogonal zueinander stehenden Doppelkreisdiagrammen abgestrahlt wird, wobei die Seitenbandenergie den Strahlerelementen von einem Sender über ein Goniometer zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei tellerförmige, elektrisch leitende Gebilde (1, 2), die mit den Bodenseiten gegeneinande^r gestellt sind, vorgesehen sind, daß diese tellerförmigen Gebilde (1,2) an ihren Bodenseiten durch Stäbe (11, 12), von denen mehrere (11) als Direktoren wirken, miteinander verbunden sind und daß die Strahlerelemente (16) auf dem Boden (8, 9) des unteren tellerförmigen Gebildes (2) parallel zur Symmetrieachse (3) der beiden tellerförmigen Gebilde (1,2) angeordnet sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Strahlerelement (16) mindestens ein als Direktor wirkender Stab (11) zugeordnet ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Stäbe leitend sind.

4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Stäbe (11) nichtleitend sind und daß sich im Stab (11) ein leitender Draht befindet.

5. Antenne nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Direktoren (11) von den Strahlerelementen (16) sowie Länge und Durchmesser der Direktoren (11) so gewählt sind, daß die durch den Grad ihrer Ankopplung an die Strahlerelemente (16) bestimmte Halbwertsbreite der Richtdiagramme in der Horizontalebene innerhalb der Bandbreite der Antenne konstant bleibt.

6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (5) des unteren tellerförmigen Gebildes (2) breiter als der Rand (4) des oberen tellerförmigen Gebildes (1) ist.

7. Antenne nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem unteren tellerförmigen Gebilde (2) gegenüberliegenden Seite des Bodens (8) des oberen tellerförmigen Gebildes (1) eine elektrisch leitende Platte (10) vorhanden ist, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Bodens (8) des oberen tellerförmigen Gebildes (1) ist.

8. Antenne nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Rand (5) des unteren tellerförmigen Gebildes (2) konzentrisch eine umlaufende, oben offene elektrisch leitende Rinne (13, 14, 15) angeordnet ist, deren innere Wandung mit dem unteren tellenörmigen Gebilde (2) verbunden ist und deren Tiefe λΟ/4 beträgt, wobei AO die Freiraumwellenlänge ist.

9. Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem der Strahlerelemente (16) zur Phasenüberwachung eine gegen das elektrische Feld abgeschirmte Miniatursonde (17) zur Messung des Magnetfeldes der auf dem zugehörigen Strahlerelement (16) fließenden Ströme vorhanden ist.

Stand der Technik