This contribution is based on chapter 5.5 of the book: Impulsfreie Elektrische Rückstrahl-Verfahren; Band 5, Lehrbücherei der Funk-Ortung; Deutsche Radar-Verlagsgesellschaft MBH, Published on behalf of: Staatssekretär Prof. Dr. med. h.c. Dipl.-Ing. Leo Brandt Düsseldorf; The Ministry of Commerce and Transport of "Nordrheinland_Westfalen", supported (presumably financially, AOB) this publication. Issued in 1957

Der automatische Zielsucher „Max-A“ (Blaupunkt)

Die Zahl der in Deutschland projektierten bzw. in Entwicklung befindlichen Zielsuchgeräte war sehr groß [76]. Außer mehreren Ultrarot-Verfahren (now usually called infrared or IR, AOB) wurde gegen Ende des Krieges auch die Entwicklung hochfrequenz-technischer Zielsuchgeräte aufgenommen. Sofern es sich um aktive HF-Rückstrahlverfahren handelte, kam wegen der geforderten Nahauflösung (r_min< 30 m) vor allem eine impulsfreie Technik im Frage. Für die Steuerung des Flugkörpers wurde im allgemeinen folgende Forderungen gestellt [76,77]:

Reichweite:                           mindestens 1000 m

                                               möglichst 3000 m

Auffaßwinkel:                      mindestens ± 10⁰

                                               möglichst  ± 30⁰

Einstellgeschwindigkeit:    etwa 30⁰ /sec

Einstellgenauigkeit:            mindestens ± 1⁰

Korrektionsspannung:        bis ± 5⁰ linear mit

                                               der Zielablage

Zeitkonstante:                     max. 1/20 sec

Zielabweichung:                  < 30 m

Das Zielsuchgerät „Max“ wurde von der Firma Blaupunkt-Werke GmbH in Berlin entwickelt (G.Güllner) [76.77], und zwar gegen amerikanische Rundortungsgeräte („Meddo“mit λ= 3,1 cm) und als aktives Gerät („Max-A“) gegen Flugziele aller Art [78]. Diese Zielsucher waren für die folgende Flugkörper vorgesehen [59, 79]:

            Fla-Rakete „Wasserfall“ für den Abschuß von Boden (v ≈ 300 m/s)

            Jäger-Rakete Hs298 für dem Abschuß vom Flugzeug (v ≈ 250 m/s)

Für das Gerät „Max-A“ war eine Wellenlänge von λ = 3,9 cm vorgesehen (f = 7700 MHz).

In umfangreichen theoretischen und experimentellen Voruntersuchungen wurde die Frage der optimalen Antennenanordnungen und Wellenlängen im Hinblick auf die gestellten Forderungen geklärt. Für die richtungsabhängigen Peilantennen fiel schließlich die Wahl auf dielektrische Richtstahler nach Mallach [80, 81] („Stielauge“). Hierfür sprach insbesondere die Tatsache, daß bei dieser Antennenform die Bündelung durch eine axiale Ausdehnung erzielt wird und nicht durch große Querschnittsabmessungen („Wirkflächen“), deren Unterbringung an Bord eines Flugkörpers insbesondere aus aerodynamischen Gründen schwierig gewesen wäre. Bezüglich der Wahl der Wellenlängewaren Zahlreiche Gesichtspunkte gegeneinander abzuwägen: Antennenabmessungen (proportional der λ), Reichweite (umgekehrt proportional der Halbwertsbreite der Antennen), Möglichkeiten der damaligen deutsche Gerätetechnik, Empfängerempfindlichkeit u.a.m.

   Bild 133: Energievergleichspeiler mit 2 dielektrischen Stielstrahlern A₁ und A₂. 

Die Richtungsbestimmung des reflektierten Zieles erfolgte mit Hilfe der Stielsstrahler nach dem Prinzip der “Energievergleichspeilung“ entsprechen dem Schema nach Bild 133. Für jede Steuerrichtung (Höhe bzw. Seite) war je ein Paar Antennen A₁ und A ₂ erforderlich. Die beiden Antenne eines Paares besaßen je eine Halbwertbreite von ± 15⁰ . Aus den sich widersprechenden Forderungen bezüglich des Auffaßwinkels (mindestens ± 10⁰) und er Voruntersuchungen ein optimaler „Schielwinkel“ der Antenne von ± 15⁰ gegen die optische Achse abgeleitet. Sofern die Rückstrahlung in Richtung der optischen Achse auf die beiden Antennen A₁  und   A ₂ eintraf (d.h. in Pfeilrichtung auf die Winkelhalbierende zwischen beiden Antennenachsen) lagen an den beiden Empfängern E₁ und E₂ gleichgroße Eingangsspannungen vor, so daß sich von den Empfängern gelieferten Ausgangsgleichströme im Relais Rel gegenseitig aufhoben. Bei Auslenkung des Zieles in der einen oder anderen Richtung stimmten die von den Antennen gelieferten Empfangsspannungen nicht mehr überein, so daß durch das Ansprechen von Rel entsprechende Steuerbewegungen eingeleitet wurden. Zur Verringerung des Aufwandes wurde jedoch, abweichend von der schematisierten Darstellung nach Bild 133, nur ein Empfänger für Höhen- und Seitenpeilung vorgesehen, wobei durch synchrone Umschalter eine gleichzeitige hochfrequenzseitige Umtastung der vier Antenne und eine Umschaltung des Steuerrelais am Ausgang des Empfängers vorgesehen war („Flimmerpeilung“).  

Außer den vier Empfangsantenne (je zwei für Höhen- und Seitenpeilung) war ein Richtstrahler für den Sender erforderlich. Nach längeren Versuchen wurde als Sendeantenne ein Hornstrahler vorgesehen, der zwischen den vier dielektrischen Stielstrahlern für den Empfang angeordnet wurde. Die Entkopplung zwischen der Sende- und den Empfangsantennen betrug etwa -50 dB (kse ≈ 3·10^-3). Die Funktion des Zielsuchers „Max-A“ ist aus Bild 134 ersichtlich.

 Bild 134: Blockschaltbild des Zielsuchgerätes „Max-A“

Der Oszillator O₁ des Senders bestand aus einem Achtschlitzmagnetron Type LMS86, das mit einer Anodenspannung von etwa 500 V betrieben wurde. Das Magnetron konnte bei einer Frequenz von 7700 MHz kurzzeitig eine Nutzleistung von 5 W liefern (die max. Betriebszeit eines Zielsuchers beträgt nur ca. 1 Minute!). Das Magnetfeld von 1600 Gauß wurde fremderregt (thus, by means of an electromagnet, AOB) und konnte ebenfalls wegen der starken Überlastung nur kurzzeitig betrieben werden. Die Ausgangsleistung des Oszillators O₁ wurde außer an den Hornstrahler A_s des Senders (und an den in 5.6 beschriebenen Abstandszünder „Trichter“ zu einem kleinen  Teil auch in den Mischkopf M₁ (mit Germanium-Kristalldiode) eingekoppelt. Hier erfolgte die Erzeugung der vom Empfänger benötigten, um die Zwischenfrequenz (ZF = 300 MHz) gegenüber der Senderfrequenz verschobenen Oszillatorfrequenz (8000 MHz), entsprechen dem in 1.635 und mit Bild 25 erläuterten Verfahren („Gleichlaufsteuerung“ von Sender und Empfänger mit Hilfe eines Frequenzwandlers“). Hierzu wurden die Senderfrequenz in M₁ mit der vom Oszillator O₂ (mit RL12T1 in Dreipunktschaltung) erzeugten ZF moduliert und anschließend mittels der beiden in Reihe geschalteten Hohlraum-Resonatoren F₁ und F₂ das obere Seitenband (7700 MHz + 300 MHz = 8000 MHz) ausgesiebt. Auf diese Weise wurde für das Gerät nur ein Magnetron (in O₁) benötigt, dessen Frequenzschwankungen nicht mit in der Zwischenfrequenz des Empfängers in Erscheinung traten. Die ZF-Bandbreite des Empfängers richtete sich dann nur der Frequenzkonstanz des Oszillators O₂ und konnte entsprechend schmal dimensioniert werden.

Die mit der Dopplerfrequenz amplitudenmodulierte Rückstrahlung gelangte von den vier Empfangsantennen A_E1 bis A_E4 über den „HF-Schalter“ an dem Empfänger> Die Umlaufsfrequenz des Schalters betrug n = 3000 U/min (= 50 Hz). Die Entwicklung dieses Schalters war ein besonders schwieriges Problem, da sich Schalterkonstruktionen unter Verwendung galvanischer Kontakte nicht bewährten. Schließlich ergab sich eine Lösung in Form einer kapazitiven Abtastung der von den vier Antennen gelieferten Spannungen mit Hilfe einer umlaufenden Kondensator-Elektrode. Eine gleichmäßig rotierende Bewegung des Schalters bewährte sich nicht, weil sie eine störende Amplitudenmodulation mit der Rotationsfrequenz und ihren Harmonischen erzeugte. Der HF-Schalter mußte daher mit Hilfe einer Malteserkreuz-Mechanik in diskontinuierlichen Schritten bewegt werden. Die Anpaßglieder D₁ bis D₄ in den Antennenzuleitungen dienten zum paarweisen Abgleich der von den Antennen gelieferten Amplituden und zur Beseitigung von Anpaßfehlern infolge des HF-Schalters, mit ihrer Hilfe konnte ein „Schielen“ der Peilachse (vergl. Bild 133) beseitigt werden.

Der Empfänger begann mir der Mischstufe M₂ im Eingang (mit Germanium-Kristall). Die Zwischenfrequenz von ZF = 300 MHz wurde an den ZF-Verstärker V₁ geführt. Mit Hilfe der Pendelrückkopplung [105, 106, 107] wurde mit nur einer Röhre (RL12T1) in Dreipunktschaltung eine sehr hohe Verstärkung im ZF-Teil mit anschließender Demodulation erreicht. Die vom Oszillator O₃ (EF12) erzeugte Pendelfrequenz von f_p = 10 MHz wurde in den Kathodenkreis der ZF-Röhre eingekoppelt. Die Empfindlichkeit des verstärkers betrug etwa 100 KT₀ der ZF-Verstärker besaß eine Halbwertsbreite von ± 0.6 MHz. Am Ausgang des ZF-Teiles erschien eine Dopplerfrequenz von f_D = 3 bis 15 kHz (nach Gleichung (79) in 1.631), die nach der Siebung im Filter F₃ im NF-Verstärker V₂ (2 x EF14) verstärkt wurde und über einen Leistungsübertrager (ü = 4 : 1) an den Gleichrichter Gl (EZ11) gelangte. Dieser war so dimensioniert, daß die durch den inneren Widerstand der Gleichrichterschaltung bestimmte Aufladekonstante möglichst klein war ( ca. 1/500 sec).

Der Gleichrichter Gl lieferte zunächst eine Regelspannung an das Steuergitter der Pendelverstärkerröhre RL12T1 (V₁ ), die den Ausgleich von Amplitudenschwankungen während der Annäherung an das Ziel bewirkte. Mit Hilfe eines Tiefpasses TP₁ erhielt der Regelkreis eine genügend große Zeitkonstante, um eine Beeinflussung durch die Schaltfrequenz von 50 Hz zu vermeiden.

Zur Auswertung der von der Zielablage abhängigen Rückstrahlung wurde die von Gl gelieferte Ausgleichspannung des Empfängers an den umlaufenden Kontakt des “NF-Schalters“ geführt. Dieser bewegte sich mit Hilfe einer mechanischen Kupplung synchron mit dem HF-Schalter und führte die Steuerspannungen des Empfängers über die Tiefpässe TP₂ bis TP₅ an die Steuerverstärker V₃ bis V₆ (je mit EF14). Die Tiefpässe waren so dimensioniert, daß die Steuerung nicht auf die Schaltfrequenz von 50 Hz ansprach, anderseits jedoch möglichst schnell auf Veränderungen der Zielablage reagierte (Zeitkonstante etwa 1/30 sec). Durch Zwischensegmente am NF-Schalter wurde erreicht, daß der Ausgang des Empfängers während des Übergangs von der einen zur nächsten Umschaltphase kurzgeschlossen wurde, wodurch eine Beeinflussung der Steuerungen durch Schaltstöße nicht möglich war. In den Anodenkreisen je eines Verstärkerpaares waren die Wicklungen eines hochohmigen Differenzrelais eingeschaltet (ca. 3000 Ω pro Wicklung), welches eine Kurssteuerung auf Grund der Höhen- bzw. Seitenablage des Zieles bewirkte.

Der Einbau des Max-A in den Flugkörper richtete sich nach Gesichtspunkten, die sich aus den jeweiligen Verhältnissen beim Einsatz ergaben (Abschußart, Auffaßwinkel, günstigste Flugbahn). Es waren zwei Antennenköpfe vorgesehen:

        1.  Antennenkopf für festen Einbau, so daß die elektrische Achse mit der Längsachse des   Flugkörpers identisch war. Dieser Kopf war für eine Steuerung nach dem „Verfolgungskurs“ gedacht, der für den Einsatz von Flugzeug zu Flugzeug Verwendung finden sollte (z.B. Jäger-Rakete Hs298). Die Schußreichweite betrug größenordnungsmäßig 1000 m.

2.  Beweglicher Antennenkopf für einen Schuß nach den „Kollosionskurs“ beim Einsatz von   Boden aus (Fla-Raketen). Die Schußreichweite war dann wesentlich größer als 1000 m.

Beim Kollisionskurs nach 2. sollte der Flugkörper zunächst mit Funkmeßmitteln [58, 59] in Zielnähe gesteuert werden, bis die Auffaßreichweite von etwa 1000 m erreicht war. Beim Auffassen des Zieles durch den Zielsuchenden Kopf drehte sich im ersten Stadium der Antennenkopf allein automatisch auf die Zielrichtung, ohne daß der Körper nachgesteuert wurde. Erst bei größerer Annährung an das Ziel, nachdem ein bestimmter Winkel zwischen Flugkörperachse und Zielrichtung vorhanden war, setzte (durch eine Relais-Umschaltung) die Steuerung des Flugkörpers ein. Der Antennenkopf besaß daher zwei Kurssteuermotoren, von denen der eine den Antennenteller in einer Richtung unmittelbar über Rädervorgelege antrieb, während der andere Motor über eine biegsame Welle in der dazu senkrechten Richtung arbeitete. Hierbei wurden Potentiometer verdreht, die ein Brückengleichgewicht störten und damit die Steuerung des Flugkörpers bewirkten. Die Entwicklung des „Max-A“ war soweit fortgeschritten, daß ein voll funktionsfähiges Erprobungsmuster vorlag, mit dem Versuche am Boden durchgeführt werden konnten. Als „Ersatzziel“ wurde hierbei ein Ventilator verwendet, durch den die Dopplerschwebungen bei hohen Relativgeschwindigkeiten nachgebildet wurden. Die Rechnung ergab mit N = 5 W,  Empfängerempfindlichkeit = 100 KT₀, Zielfläche F_Refl = 1 m², eine Reichweite von r_max ≈ 2000 m, die durch die Messungen mit dem Ersatzziel bestätigt werden konnte. 

Bild 135: Zum Abstandsgesetz der rückgestrahlten Feldstärke bei einem Linear-Reflektor der Länge l = 30 m nach Gleichung (157)(oben) und bei einer Kreisscheibe D = 30 m nach Gleichung (158)(unten). Wellenlänge λ = 3,9 cm

Eine grundsätzliche Schwierigkeit des Verfahrens war dadurch zu erwarten, daß das Abstandsgesetz für die Rückstrahlfeldstärke bei Flugzielen endlicher Ausdehnung nicht in monotone Kurve definierter Form ist [16]. Das Ergebnis von theoretischen Untersuchungen in dieser Richtung [78] wird durch Bild 135 dargestellt: bei einem linearen, langen Reflektor (l >> λ), dessen Rückstrahlung in Form von Zylinderwellen ausgeht, ist die rückgestrahlte Feldstärke nach der Beziehung (104) in 1.923 proportional 1/√r³ . Mit Berücksichtigung der Fresnel-Interferenzen in folge der endlichen Länge des Reflektors (z.B. l = 30 m) ergibt sich jedoch, wie die obere Kurve des Bildes 135 zeigt, ein kompliziertes Abstandsgesetz von der Form: 

Dem monotonen Abstandsgesetz ist die Funktion f₁ (r) überlagert. Noch ungünstiger sind die Verhältnisse bei der Reflexion einer Kreisscheibe endlicher Ausdehnung (d =30 m) entsprechend der unteren Kurve des Bildes 135: 

Dem 1/r-Gesetz der Spiegelnden Reflexion (nach er Beziehung (105) in 1.923) ist eine „Schwebung“ f₂ (r) überlagert (siehe auch in 1.341). Hierbei ergeben sich verdoppelte Amplituden (f₂ = 2) bei den Entfernungen r = 11,54 km/(2 n – 1) und insbesondere Nullstellen (f₂ = 0) bei den Entfernungen r = 5,77 km/n. Es ist daher möglich, daß durch die Feldstärkeschwankungen ein Instabilität der Kurssteuerung verursacht wird, oder daß der Flugkörper das Ziel sogar ganz „aus den Augen verliert“. Bei der unregelmüßigen Form praktischer Flugziele dürfen wahrscheinlich weniger ungünstige Verhältnisse zu erwarten sein. Flugerprobungen mit dem Max-A gegen Flugziele konnten aber nicht mehr durchgeführt werden.  

Max-A and Max-P are both based on German patent DE864571, on behalf of Blaupunkt-Elektronik G.m.b.H., Berlin-Wilmersdorf. Inventors: Dr. Georg Güllner, Darmstadt-Eberstadt; Dr. Johannes Graupner, Darmstadt. (both address are post war, AOB)

Which claimed:

Feldstärkevergleichs-Peilanordnung für kurze Wellen

Patentiert vom 22. Dezember 1944 

This drawing is self-explaining, and does not need further explanation. The principles of the dielectric antennae, is explained in my Naxos direction-finder paper.

Both inventors, Güllner and Graubner, were also regular attendees of the 1943/44 AGR sessions.

References:

        [16]    D. v. Soden: Zur Reflexion elektromagnetischer Wellen an Kreisplatten. Aus Hochfrequenztechnik und Flugfunkforschung („FFO-Buch“), Oberpfaffenhofen und Gräfelfing (1942), S. 59.

        [58]    Schwarz (Telefunken): Verfahren „Rheinland““.  Aktenvermerk EZ-Spez./Schw./Pa. Geh. B.Nr. 3/864/44 vom 28.8.1944  (Geh = Geheim  = secret, AOB)

        [59]    F. Müller: Leitfaden der Fernlenkung. Bücherei der Funkortung Bnd. 2, Garmisch-Partenkirchen (1955), S. 176.

        [76]    G. Güllner u. Dräger: Zielsuchgeräte, allgemeine Einteilung der der Verfahren. Unveröffentlichter Bericht Dr./Ws. Vom 1.11.1945

         [77]    G. Güllner: Review of the Development of High Frequency Homing Deevices. (Vortrag beim AGARD-Seminar in München am 24.4.1956) in: “History of German Guided Missiles Development”)

         [78]    ohne Verfasser: Zielsuchendes Gerät Max-A und Max-P, (Unveröffentlichter Bericht vom 21.6.1945

         [79]    M. Mayer: Selbstgesteuerte und ferngelenkte Flugkörper. „Nauticus“ Jahrbuch. F. Seefahrt u. Weltwirtschaft, Darmstadt (1953), S. 154.

        [80]    P. Mallach: Dielektrische Richtstrahler für dm- und cm-Wellen. In: Ausgewählte Fragen über Theorie und Technik der Antennen. (Arbeitstagung „Antennen“ des GBN am 26.3.1943), Heft 2, S. 132, ZWB Berlin-Adlershof (1943)

        [81]    P. Mallach: Dielektrische Richtstrahler. FTZ 2 (1949), S. 33.

        Gleichung (79)  

        Gleichung (104)

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