DE1466390C - Richtantennenanordnung fur einen Lande kurssender - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Richtantennenanordnung für einen Landekurssender zur Erzielung eines Antennendiagramms, das zwei Hauptstrahlungskeulen in einem schmalen Sektor aufweist und in Bereichen außerhalb dieses Sektors auf einen relativ niedrigen Wert absinkt, der jedoch größer als Null ist, mit einer Mittelantenne und einer Anzahl symmetrisch zur Mittelantenne angeordneten Antennenpaaren, die durch eine Leistungsteilereinrichtung mit Träger- und Seitenbandenergie gespeist werden.

Ein Landekurssender dieser Art ist beispielsweise aus Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik, 1963, Nr. 4, S. 103, bekannt.

Die üblicherweise verwendeten Landekurssender haben seit vielen Jahren mehr oder weniger den Nachteil, daß Abweichungen von der vorgegebenen Richtung durch Reflexionen von Seitenbandsignalen an Flugzeughallen, Hügeln oder anderen künstlichen oder natürlichen Erhebungen des Flughafengeländes erzeugt werden. Die reflektierten Seitenbandsignale werden von einem sich nähernden Flugzeug zusammen mit dem direkten Signal empfangen, wo sie sich mit unterschiedlicher Phase mit diesen addieren, und entweder eine ungenaue Kursanzeige ergeben, wenn es sich um zahlreiche, reflektierende Objekte handelt, oder aber sinusförmige Anzeigeschwingungen, wenn ein einziger vorherrschender Reflektor vorhanden ist. Eine Unempfindlichkeit gegen derartige Reflexionseffekte wurde im wesentlichen durch Richtsendeanlagen erzielt (USA.-Patentschrift 2 682 050), bei welchen der Hauptteil der abgestrahlten Energie auf einen schmalen Sektor beschränkt wird, welcher längs der Mittellinie der Landebahn angeordnet ist. Die Anwendung von gerichteten Antennendiagrammen wurde noch weiter unter Verwendung von Landekurssendern mit geschlitzten Wellenleitern ausgebildet (gemäß C. W a 11 s, jr., in Proceedings of the Institute of Radio Engineers,. Oktober 1952, in dem Aufsatz »Gleichzeitige Ausstrahlung von geraden und ungeraden Diagrammen durch eine geradlinige Antennenanordnung«). Bei jedem gerichteten Landekurssender tritt jedoch das Problem auf, geeignete Signale in dem Bereich außerhalb des Hauptstrahls zu erzeugen, d. h. im Bereich der kleineren Nebenkeulen der Richtantennenanordnung. Dieses Problem wird üblicherweise durch zusätzliche Anordnung eines zweiten Senders gelöst, welcher eine zweite Antennenanordnung von mehr oder weniger konventionellem Aufbau aufweist. Das zweite Antennensystem wird mit einer Trägerfrequenz betrieben, die nur wenige Kilohertz von der ersten . Trägerfrequenz abweicht, so daß beide Frequenzen im Flugzeug innerhalb der Bandbreite des gleichen Empfangskanals empfangen werden. Diese zweite oder Clearance-Antennenanordnung überdeckt die kleineren Strahlungskeulen der Hauptantennenanordnung, um eine volle Anzeigeabweichung in seitlicher Richtung zu ermöglichen. Gleichzeitig entstehen dabei keine Richtungsabweichungen des durch die Hauptantennenanordnung erzeugten Richtstrahls, da die Trägerfrequenzen unterschiedlich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung für einen Landekurssender zu schaffen, der in gewissem Umfang die Unempfindlichkeit gegen Richtungsabweichungen aufweist, wie sie ein gerichteter Landekurssender besitzt, ohne daß dabei ein zweiter Sender und eine getrennte Clearance-Antennenanordnung erforderlich ist. Dies wird erreicht durch die Verwendung eines Paars von besonders geformten Antennendiagrammen, welche keine seitlichen kleinen Strahlungslappen und Nullstellen aufweisen, welche für die bisher verwendeten Hauptantennenanordnung mit Richtcharakteristik typisch sind. Die Antennendia- : gramme sind derart ausgebildet, daß eine Ablenkung des im Flugzepg befindlichen Anzeigeinstruments über einen Azimut-Bereich von 360° gewährleistet wird. .

Die erfindungsgemäße Richtantennenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsteilereinrichtung einen ersten Leistungsteiler aufweist, welcher die Antennenelemente in der einen Hälfte der Antennenanordnung mit einem Seitenbandsignal einer Polarität speist, und einen zweiten, mit dem ersten identisch gebauten Leistungsteiler, der die Antennenelemente in der anderen Hälfte der Antennenanordnung mit einem Seitenbandsignal gegensätzlicher Polarität speist, eine Hochfrequenzbrücke, die die beiden Leistungsteiler mit je einem Seitenbandsignal gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase speist, und einen dritten Leistungsteiler, welcher das Trägersignal in zwei Teile aufteilt, wovon einer- an der Mittelantenne und der andere an der Hochfrequenzbrücke eingespeist wird, um Ströme zu erzeugen, welche gleiche Amplitude und im ersten und zweiten Leistungsteiler gleiche Phase aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Paar der Antennenrichtdiagramme von Seitenband und Träger,
F i g. 2 die beiden Komponenten, welche addiert werden, um die Seitenband-Richtcharakteristik zu erhalten,

F i g. 3 a eine geradlinige Richtantennenanordnung, F i g. 3 b die Stromverteilung in den Elementen

der Antennenanordnung, um die eine Komponente

"40 der Seitenbandcharakteristik zu erzeugen.

F i g. 3 c die Stromverteilung in den Elementen der Antennenanordnung, um die zweite Komponente der Seitenbandcharakteristik zu erzeugen,

F i g. 3 d die gesamte Stromverteilung für die EIemente der Antennenanordnung, um die Seitenbandcharakteristik zu erzeugen,

F i g. 3 e die Stromverteilung für die Elemente der Antennenanordnung, um die Trägercharakteristik zu erzeugen, und

F i g. 4 eine schematische Anordnung der Speiseschaltung zur Erzeugung der gewünschten Seitenband- und Trägerverteilungen.

In F i g. 1 stellt die Kurve 2 ein Seitenbandantennendiagramm dar, das durch eine lineare Anordnung von Rundstrahlantennenelementen erzeugt wird. Die Kurve gibt die relative abgestrahlte Feldstärke, auf-

• getragen über den Azimutwinkel in einem Bereich zwischen —90 und 4-90° an. Dabei ist zu beachten, daß die verbleibende Hälfte des Azimutkreises als Spiegelbild der gezeigten Hälfte auftritt. Falls die verwendeten Antennenelemente keine Rundstrahler wären, sondern eine bestimmte Richtcharakteristik aufwiesen, so würde die Kurve 2 als Seitenband-Antennenfaktor bezeichnet und man müßte, um die tatsächliche Charakteristik zu erhalten, den Antennenfaktor mit der Charakteristik des einzelnen Elements multiplizieren. In ähnlicher Weise gibt die Kurve 4 die Charakteristik des Trägers wieder.

Ein besonderes Merkmal der Kurven 2 und 4 gemäß Fig. 1 besteht darin, daß im Bereich des Azimut-Nullpunkts eine erhebliche Strahlungskonzentration auftritt und dennoch in den seitlichen Bereichen geringer Strahlung keine der Kurven jemals den Wert Null erreicht; falls dies einträte, würde eine wobei falsche Richtungsanzeige erfolgen. Die Kurve 2 für das Seitenband schneidet die Nullachse lediglich im Azimut-Nullpunkt und wiederum bei einer Azimutstellung von 180° und bestimmt dabei die io wobei Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Landekurssenders.

Die Kurve 2 des Seitenbandes kann betrachtet werden, als weise sie zwei Komponenten auf, die in F i g. 2 angegeben sind, nämlich eine Richtungskomponente 6 und eine Clearancekomponente 8. Es ist zweckmäßig, diese beiden Komponenten getrennt zu betrachten, obwohl sie nicht getrennt existieren.

Eine symmetrische lineare Anordnung von Antennenelementen ist schematisch in der Fig. 3a dargestellt. Dabei sind 14 Elemente 10 mit gleichem Abstand s angeordnet, und ein 15. Element befindet sich auf einer Mittellinie, die von den beiden nächsten benachbarten Elementen einen Abstand von jeweils kann ebenfalls so aus der bekannten Gaußschen Fehlerkurve abgeleitet werden und mathematisch durch folgende Formel ausgedrückt werden: ^:

K =

180² λ²

X die Entfernung eines Antennenelements von der Mittellinie der Antennenanordnung darstellt,

I den Strom eines Antennenelements, ausgedrückt als Funktion der Entfernung von der Mittellinie der Anordnung, angibt,

A eine willkürliche Amplitudenkonstante darstellt,

_sax den Azimutwinkel, gemessen in Grad darstellt, welcher der maximalen Seitenbandfeldstärke entspricht, und
λ die verwendete Wellenlänge darstellt.

-y aufweist. Der Abstand s" weist dabei, um im Einklang mit den in den F i g. 1 und 2 dargestellten Kurven zu sein, einen Wert auf, welcher 254 elektrischen Graden entspricht. Die genaue Anzahl der Antennenelemente und ihr Abstand ist jedoch zum Verständnis der Erfindung nicht wesentlich.

Das. Seitenbandantennendiagramm wird in bekannter Weise durch Addition einer Anzahl von sinusförmigen Strömen erhalten:

(s \

-y sin (9 J

+ 2 I₂ sin ri ~sin θ\

+ 2/₃

n -^-sin θ\

45

F₅ eine der Seitenbandfeldstärke proportionale

Größe darstellt,
• Θ den Azimutwinkel darstellt,

s den Abstand der Antennenelemente darstellt, ausgedrückt in elektrischen Graden äquivalenter Länge bei der Trägerfrequenz, und I_n den Strom in jedem Element des η-ten Paares ' ". der Anordnung. .......

Die Änderung von I_n, abhängig von der Nummer des Antennenelements ist als Stromverteilung bekannt. Fig. 3b zeigt eine Stromverteilung, die zur Erzeugung der Seitenband-Richtkomponente 6 erforderlich ist, wobei die unterhalb der Nullachse gerichteten Abschnitte entgegengesetzte Polarität darstellen. Die Stromverteilung 12, die zur Erzeugung der Kurve 6 der F i g. 2 erforderlich ist, mit einer geringen oder gar keiner seitlichen Strahlungskeule, kann dadurch erhalten werden, daß man, wie dies bisher für gerichtete Landekurssender erfolgt ist, die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Ausdrücken einer Binomialreihe verwendet. Die Kurve 12 Die Stromverteilung, welche erforderlich ist, um die Seitenband-Clearancekomponente 8 der F i g. 2 zu erzeugen, ist in ähnlicher Weise in F i g. 3 c dargestellt, aber ihre Form 14 ist sehr verschieden. Diese Form wird von einer Amplitude abgeleitet, die der Entfernung zur Mittellinie der Antennenanordnung umgekehrt proportional ist. Die Form der Komponente 8 kann als Annäherung an eine Rechteckwelle betrachtet werden, und die Amplitudenkoeffizienten einer Sinusreihe zu ihrer Erzeugung sind wohlbekannt. Diesbezüglich wird beispielsweise auf R. M. Kerchner und G. F. Corcoran, »Alternating-Current Circuits« John Wiley Sons, 3. Ausgabe, 1953, S. 171, verwiesen, wo gezeigt wird, daß die Amplitude der Harmonischen der Kennzahl der Harmonischen umgekehrt proportional ist.

Die Amplituden sind also proportional zu

1, 1/3, 1/5, 1/7 ... usw.

F i g. 3 d gibt die Stromverteilung der gesamten gewünschten Seitenbandkurve 2 der F i g. 1 wieder und besteht einfach aus der Summe der beiden Verteilungen für die Komponenten gemäß den.F i g. 3b und 3 c. Die Kurven 12 und 14 addieren sich im richtigen Verhältnis in Fig. 3d, um die Kurve 16 zu erzeugen. Dabei ist besonders das Ausmaß beachtenswert, in welchem die Kurve 16 einer Stromverteilung angenähert werden kann (abgesehen von der Phasenumkehr im Mittelpunkt der Antennenanordnung), die für eine kleine seitliche Strahlungskeule des Trägers erforderlich ist. Eine derartige Verteilung hat im Idealfall eine Gestalt, die den Koeffizienten einer Binomialreihe oder Gaußschen Kurve folgt.

Auf diese Weise ergibt sich ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung: Lediglich durch Umkehr der Polaritäten des Stroms der Antennenelemente auf der linken Seite vom Mittelabschnitt wird die Trägerstromverteilung nach Fig. 3e erhalten. Die Form 18 ist die gleiche wie die Form 16. Das mittlere Element, das bei der Seitenbandverteilung nicht verwendet wird, wird mit einem ausreichenden Trägerstrom 20 gespeist, um die Trägerkurve 4 nach F i g. 1 oberhalb der Nullachse auf einen Pegel 22 anzuheben, um zu gewährleisten, daß die Trägerfeldstärke bei keinem Azimutwinkel auf Null abfällt.

1 4bb

Die Form des Trägers wird nun durch Addition einer Reihe von Kosinusgliedern erhalten, wobei deren Koeffizienten identisch mit denen sind, die in den Sinusreihen für die Seitenbandkennlinie verwendet wurden. Es bleibt hier lediglich eine Größe offen, nämlich die Auswahl des Koeffizienten /₀, welcher den Trägerstrom in der mittleren Antenne darstellt:

F_c = I₀

2 I₁ cos ( -y sin Θ 1
21₂ cos (3 y sin Θ\

3 I₃ cos (5 -y sin

Die berechneten Stromwerte für die Antennen-.elemente, die für ein Kurvenpaar gemäß F i g. 1 erforderlich sind, sind nachfolgend angegeben:

Element Nummer	Trägerstrom	Seitenbandstrom
7	0,244	0,244
6	0,412	0,412
3	0,620	0,620
4	0,805	0,805
3	0,879	0,879
2	0,820	0,820
1	1,000	1,000
0	2,000	0
-1	1,000	-1,000
-2	0,820	-0,820
-3	0,879	-0,879
-4	0,805	-0,805
—5	0,620	-0,620
-6	0,412	-0,412
— 7	0,244	-0,244

Die Anwehdung des vorausgehend beschriebenen Prinzips auf den Entwurf einer Speiseschaltung liefert ein System, das für einen Landekurssender mit großer Öffnung ungewöhnlich einfach ist. Gemäß F i g. 4 ist nur eine einzige Hochfrequenzbrücke 24 erforderlich. Die in der Leitung 26 fließende Seitenbandleistung wird durch die Brücke in zwei gleiche Teile aufgeteilt, welche in den Leitungen 28 und 30 mit gegensätzlicher Polarität fließen. Identische Leistungsteiler 32 und 34 mit mehrfachen Ausgängen teilen die Leistung jeweils für die linke Seite und rechte Seite der Antennenelemente auf, in Einklang mit der vorausgehend beschriebenen Stromverteilung.

Trägerleistung wird in die Leitung 36 eingespeist und gelangt dann durch einen Zweiweg-Leistungsteiler 38, welcher die für das mittlere Antennenelement 40 erforderliche Leistung über eine Leitung abgibt. Der Rest fließt durch die Leitung 44 zur Hochfrequenzbrücke und wird dort in zwei gleiche Teile aufgeteilt, die in den Leitungen 28 und 30 weitergeleitet· werden, wobei in diesem Falle die Polaritäten nicht gegensätzlich, sondern gleich sind. Die Trägerleistung wird für die linken und rechten Antennenelemente durch die gleichen Teiler 32 und 34 mit mehrfachen Ausgängen aufgeteilt.
Es ist offensichtlich, daß die Erfindung unabhängig von einer bestimmten Anzahl von Antennenelementen, einem bestimmten Elementabstand oder bestimmten Stromgrößen ist; es ist ferner auch nicht notwendig, daß die Abstände der Antennenelemente über die gesamte Anordnung gleich sind.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Richtantennenanordnung für einen Landekurssender zur Erzielung eines Antennendiagramms, das zwei Hauptstrahlungskeulen in einem schmalen Sektor aufweist und in Bereichen außerhalb dieses Sektors auf einen relativ niedrigen Wert absinkt, der jedoch größer als Null ist, mit einer Mittelantenne und einer Anzahl symmetrisch zur Mittelantenne angeordneten Antennenpaaren, die durch eine Leistungsteilereinrichtung mit Träger- und Seitenbandenergie gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsteilereinrichtung einen ersten Leistungsteiler (32) aufweist, welcher die Antennenelemente (1 bis 7) in der einen Hälfte der Antennenanordnung mit einem Seitenbandsignal einer Polarität .speist, und einen zweiten, mit dem ersten identisch gebauten Leistungsteiler (34), der die Antennenelemente (1 bis 7) in der anderen Hälfte der Antennenanordnung mit einem Seitenbandsignal gegensätzlicher Polarität speist, eine Hochfrequenzbrücke (24), die die beiden Leistungsteiler (32, 34) mit je einem Seitenbandsignal gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase speist, und einen dritten Leistungsteiler (38), welcher das Trägersignal in zwei Teile aufteilt, wovon einer an der Mittelantenne (40) und der andere an der Hochfrequenzbrücke (24) eingespeist wird, um Ströme zu erzeugen, welche gleiche Amplitude und im ersten und zweiten Leistungsteiler gleiche Phase aufweisen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen