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Kommerzielle Funkempfangsanlage mit Breitbandantenne für Lang-, Mittel-oder
Kurzwellen Beim Bau von kommerziellen Funkempfangsanlagen hat man bisher die Antennen
so groß bemessen, daß sie eine möglichst große Empfangsspannung liefern. Außerdem
wurden bestimmte Forderungen bezüglich Richtwirkung und eines reellen Fußpunktwiderstandes
zwecks Anpassung an das Antennenkabel in einem größeren Frequenzbereich erfüllt.
Dies wird nachstehend näher erläutert.
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Einfache Antennen, die aus einem einzigen, z. B. senkrechten Draht
oder dünnen Mast bestehen, haben nur bei Wellenlängen, bei denen die Höhe der Antenne
gleich oder kleiner als eine Viertelwellenlänge ist (also bei niedrigeren Frequenzen)
ein Vertikaldiagramm ohne Aufzipfelungen. Bei Frequenzen, bei denen die Antennenhöhe
sehr viel kleiner als eine Viertelwellenlänge ist, wird die Empfangsspannung zu
klein, auch dann, wenn die Antenne durch eine zusätzliche Induktivität abgestimmt
wird. Bei Frequenzen, bei denen die Antenne größer als eine Viertelwellenlänge ist,
hat das Vertikaldiagramm Aufzipfelungen, so daß in bestimmten Einfallswinkeln keine
oder zu kleine Empfangsspannungen auftreten. Bei den anderen Einfallswinkeln ist
die Empfangsspannung dann aber ausreichend. Bei solchen Antennen ist eine Anpassung
nur in einem relativ kleinen Frequenzbereich (10 °/o und kleiner) möglich. Sie sind
deshalb für die Erfindung ohne Interesse.
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Als Breitbandantennen werden z. B. senkrecht stehende Reusenantennen
für einen Frequenzbereich von 4 bis 10 MHz mit einer Höhe von 24 m gebaut. Die Höhe
ist durch die Forderung nach einem reellen Fußpunktwiderstand gegeben. Man hat deshalb
keinen Einfluß auf die Empfangsspannung. Sie ist aber immer ausreichend.
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Ein anderes Beispiel sind Rhombusantennen für 10 bis 20 MHz mit einer
Hauptachsenlänge von 200 m und 22 m Höhe oder für 5 bis 10 MHz mit einer Hauptachsenlänge
von 600 m und 40 m Höhe. Diese Abmessungen der Rombusantenne sind im wesentlichen
durch das Vertikaldiagramm und weniger durch das Horizontaldiagramm bestimmt. Man
hat deshalb keinen Einfluß auf die Empfangsspannung, die aber bei Rhombusantennen
immer ausreichend ist.
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Eine weitere bekannte, praktisch angewendete Breitbandantenne besteht
aus einem geradeausgestreckten, senkrechten oder waagerechten Leiter, der im Gegensatz
zu einer Reusenantenne dünn gegen die Wellenlänge ist und in Abschnitte unterteilt
ist, zwischen denen je eine Spule und ein Widerstand in Parallel- oder Reihenschaltung
liegen (deutsche Patentschrift 861878). Solche Antennen haben bei der Ausführung
als einzelne Vertikalantenne eine Masthöhe von 10 m. Man hielt bisher diese Bemessung
für richtig, um eine ausreichende Empfangsspannung zu erhalten. Die Erfindung zeigt,
daß je nach der Lage und Größe des Frequenzbereiches eine andere Bemessung günstiger
ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß durch eine der beiden folgenden Maßnahmen
oder durch gleichzeitige Anwendung dieser Maßnahmen am Ausgang einer Breitbandantennenanlage
für den kommerziellen Funkempfang auf dem Lang ; Mittel- oder Kurzwellenbereich
eine im wesentlichen frequenzunabhängige Außengeräuschleistung vorhanden ist, die
nur wenig über der Geräuschleistung des Empfängers liegt, insbesondere etwa 10 bis
100 kT: a) Die Nutzhöhe der Empfangsantenne, sofern sie ohne Einfluß auf die Richtwirkung
ist, oder der Wirkungsgrad der Empfangsantenne, sofern er veränderbar ist, oder
beide Größen sind so klein oder/und ihre Bündelung ist so stark bemessen, daß die
erwähnte Außengeräuschleistung am Ausgang der Antenne vorhanden ist.
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b) Am Ausgang der Empfangsantenne ist ein Filter eingeschaltet, dessen
Dämpfungsverlauf so bemessen ist, daß die vom Filter abgegebene Außengeräuschleistung
den erwähnten Wert hat.
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Der Begriff des Außengeräusches wird weiter unten näher erläutert.
Die Einheit kT ist bei der Messung der Geräuschzahl eines Empfängers in Deutschland
gebräuchlich (P i t s c h, Lehrbuch der Funkempfangstechnik, § 201). Moderne Kurzwellenempfänger
haben
eine Rauschzahl von 3 bis 10 kT und Langwellenempfänger bis
zu 25 kT.
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Die Vorteile der Erfindung sind niedrigere Baukosten für die Antennenanlage
und geringere Störungen durch starke Signale. .
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Es folgt nun zunächst eine Beschreibung der Anwendbarkeit der Erfindung.
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Die Erfindung ist nicht bei allen Arten von Breitbandantennen anwendbar,
z. B. nicht bei einer einzelnen Rhombusantenne, weil die Abmessungen, wie erwähnt,
durch das Richtdiagramm festgelegt sind. Sie ist aber gut anwendbar bei der erwähnten
unterteilten Antenne, die gemäß einem früheren, noch nicht bekannten Vorschlag auch
bei Richtantennen mit mehreren Vertikalstrahlern angewendet werden kann (T 12933,
Kl. 21 a4). Bei Einzelantennen dieser Art ergibt sich aus der erfindungsgemäßen
Vorschrift, daß sie niedriger als 10 m bemessen werden kann, z. B. 7 m, ohne daß
die Empfangsqualität beeinträchtigt wird. Die genaue Abmessung hängt von mehreren
Faktoren ab, wie Frequenzbereich, Größe und Frequenzabhängigkeit des Außengeräusches
je nach der Lage des Empfangsortes und Wirkungsgrad (abhängig von den eingeschalteten
Ohmschen Widerständen). Im Falle einer aus mehreren solcher Antennen bestehenden
Richtantenne muß bei Anwendung der Erfindung die Antennenhöhe größer als bei einer
Einzelantenne sein, weil infolge der Richtwirkung das Außengeräusch vermindert wird,
welches jedoch, wie unten näher erklärt wird, nicht kleiner als das Rauschen der
Empfangsanlage sein darf, sondern größer sein muß. Die sich daraus ergebende Höhe
beträgt in dem unten beschriebenen Beispiel 9 m, also zufällig etwa soviel wie bei
dem bisher benutzten Einzelstrahler.
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Eine Anwendbarkeit der Erfindung bei anderen Arten von Breitbandantennen
ist bisher nicht untersucht worden, jedoch ist sie zu erwarten. Bei Reusenantennen
wird eine Verkürzung der Höhe möglich sein, wenn man die dadurch entstehende Fehlanpassung
infolge der Verstimmung der Antenne durch eine entsprechend bemessene Dachkapazität
oder einen Transformationsvierpol zwischen Antenne und Empfangsanlage ausgleichen
würde.
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Nun folgt eine Beschreibung der Erfindung an Hand der Zeichnung.
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Bei Abwesenheit von ungewünschten Signalen oder so günstig bemessenen
Empfangseinrichtungen, daß Störungen durch sie ausgeschlossen werden, ist die unterste
Empfangsgrenze durch Störgeräusche bestimmt. Im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich
ist immer eine gewisse Geräuschfeldstärke vorhanden. Sie ist auch vorhanden in Gebieten,
die völlig frei sind von Industriestörungen usw., und rührt her von Entladungen
in der Atmosphäre, die je nach Ausbreitungsbedingungen auch über große Entfernungen
übertragen werden können. Ein geringerer Teil davon hat auch kosmische Ursachen.
Diese Geräuschfeldstärke (ihr Charakter ist weißem Rauschen ähnlich) ist, über längere
Zeit gemittelt, verhältnismäßig konstant. Sie nimmt mit steigender Frequenz ab und
wird über 30 MHz (unter 10 m) so klein, daß sie mit den heutigen Nachrichten-Empfangsgeräten
im allgemeinen nicht mehr wahrgenommen wird. Die Feldstärke des Außengeräusches
ist, je nach der geographischen Lage einer Empfangsstelle, verschieden. In tropischen
Gebieten ist es bis zu 20 db höher als in Europa. Die Bemessung der Empfangsantenne
und eines eventuell vorgeschalteten Netzwerkes im Sinne dieser Erfindung kann davon
beeinftußt werden.
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Am Ausgang einer Empfangsantenne liefert die Außengeräuschfeldstärke
eine Außengeräuschleistung. Fig. 1 zeigt die Meßwerte einer bekannten, einzelnen,
vertikalen Breitband-Rundempfangsantenne nach der obenerwähnten Patentschrift mit
9 m Höhe. Die Außengeräuschleistung ist zu groß, denn sobald die an die Empfangsgeräte
abgegebene Außengeräusch-Leistung über deren Eigenrauschen (z. B. 10 kT) liegt,
ist das Signal-Rausch-Verhältnis im wesentlichen durch die Außengeräuschleistung
bestimmt. Eine Vergrößerung beispielsweise der effektiven Höhe der Empfangsantenne
bringt keinen Vorteil mehr, weil sich außer der Nutzspannung auch die Geräuschspannung
erhöht. Diese Erkenntnis ist wichtig, weil eine große effektive Höhe einen beträchtlichen
Aufwand erfordert, besonders wenn man berücksichtigt, daß beispielsweise die Kosten
eines Mastes mit seiner Höhe wesentlich schneller als linear wachsen. Die der Fig.
1 zugrunde liegende Antenne liefert also eine unnötig hohe Nutz- und Geräuschspannung.
Sie könnte deshalb niedriger bemessen werden, z. B. 7 m.
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Die .Größe der von einer Empfangsantenne abgegebenen Außengeräuschleistung
hängt neben ihrer effektiven Höhe auch von ihrem Wirkungsgrad, dem Richtdiagramm
in der Vertikalen und Horizontalen und einer eventuellen Fehlanpassung ab. Alle
diese Parameter werden erfindungsgemäß so gewählt, daß die obengenannte Bedingung
(10 bis 100 kT) mit dem geringstmöglichen Aufwand eingehalten wird.
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Fig. 2 zeigt das Außengeräusch (in kT) einer erfindungsgemäß bemessenen
Richt-Empfangsantenne in Abhängigkeit von der Frequenz. Es ist infolge der Richtwirkung
kleiner als in Fig. 1. Die Antenne besteht nach Fig.3 aus zwei gespeisten, vertikalen,
unterteilten, 9 m hohen Halbdipolen A 1 und A z, entsprechend der genannten Patentschrift
und Patentanmeldung. Der gesamte Frequenzbereich von 1,6 bis 28 MHz wird von drei
Antennenanlagen überdeckt, deren jede einen Frequenzbereich von etwa 1:3,5 umfaßt
(1,6 bis 6 MHz, 4 bis 15 MHz, 8 bis 28 MHz). Der Abstand der beiden Halbdipole ist
entsprechend der mittleren Frequenz des Teilbereiches gewählt. Der obere Teil der
Antenne dient zur Vergrößerung der Nutzhöhe bei tiefen Frequenzen. Unten befinden
sich die zur Phasenverschiebung erforderliche Umwegleitung U und ein Differentialübertrager
D.
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Neben hohen Kosten hat aber eine zu große effektive Höhe einer Empfangsantenne
einen weiteren Nachteil: Sender, die mit sehr großen Feldstärken einfallen, können
schwache Signale stören durch übersteuerungseffekte in Antennenverteilern, -verstärkern
und Empfängern. Hierzu gehören Kreuzmodulation und Bildung von Oberwellen oder von
Mischprodukten bei Vorhandensein mehrerer starker Sender. Die Amplituden der Oberwellen
und Mischprodukte nehmen, je nach ihrer Ordnung, mindestens quadratisch mit den
Amplituden der sie erzeugenden Sender zu. Eine verhältnismäßig geringe Verminderung
der gesamten von der Antenne abgegebenen Empfangsleistung kann daher bereits eine
beträchtliche Verminderung der obengenannten Störung bringen.
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Um diesen Nachteil bei einer gegebenen Empfangsantenne zu beseitigen,
wird gemäß dem Merkmal b) der Erfindung die Ausgangsspannung der Empfangsantenne
über ein Netzwerk geführt, dessen Dämpfungsverlauf so bemessen ist, daß die an die
Empfangsanlage
abgegebene Außengeräuschleistung im wesentlichen
frequenzunabhängig ist und eine nach den bereits genannten Bedingungen ausreichende
Größe hat. Dadurch wird erreicht, daß auch die Spannungen der störenden Sender abgesenkt
werden, soweit sie in Frequenzbereichen mit hohem Außengeräusch liegen. Wie die
Praxis zeigt, ist dies in den meisten Fällen gegeben. Der Dämpfungsverlauf des Filters
muß der jeweiligen Antennentype angepaßt sein. Fig. 4 zeigt ihn für Antennen mit
einem Außengeräusch nach Fig. 1.
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Fig. 5 zeigt ein Beispiel für ein solches Filter und Fig.6 dessen
Einschaltung zwischen Antenne und Antennenverteiler (Antennenverstärker).
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Da die Herabsetzung der Kreuzmodulationsgefahr beim Empfänger nicht
so wichtig wie beim elektronischen Antennenverteiler ist, kann man die durch das
Filter hervorgerufene Spannungsherabsetzung im Antennenverteiler ganz oder teilweise
wieder ausgleichen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn Empfänger mit relativ
niedriger Empfindlichkeit, also mit großer Rauschzahl, verwendet werden (in kT),
weil die von der Antenne und dem Antennenverteiler gelieferte Rauschzahl größer
als die Rauschzahl des Empfäners sein soll.
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