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Mittelwellenantenne Seit den Anfängen des Rundfunlrs werden Mittelwellenantennen
als Vertikalstrahler ausgefiilirt. Sie strahlen linear und vertikal polarisierte
Wellen ab.
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Bekannt ist eine kürzlich errichtete Mittelwellenantenne, die aus
ziei parallelen, horizontalen Dipolen über Erde besteht (vgl. W. Ebene: Mittelwellen-Steilstrahlung
unter besonderer Berücksichtigung der Frequenz 1562 kHz. Technische Mitteilungen
PTT 6 (1970), Seite 237 bis 257). Diene Antenne strahlt keine Bodenwelle ab, sondern
nur eine Raumwolle, und zwar vorzugsweise in steilen Richtungen gegenüber der Erdoberfläche.
Infolge des Fehlens der Bodenwellen gibt es nicht wie bei Vertikaistrahlern ein
Verwirrungsgebiet, in welchem die Raumwelle v-nd die Bodenwelle in etwa gleicher
Größe vorhanden sind, so daß sie sich gegenseitig auslöschen können.
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Bockanntlich ist die Versorgung von Rundfunkhörern mit Mittelwellen-Randfunk
am Tage nur mittels der Bodenwelle möglich, da Raumwellen in der sogenannten D-Schicht
der Ionosphäre sehr stark gedämpft werden. Weil aber die D-Schicht nach Sonnenuntergang
schnell verschwindet, können sich nachts Raumwellen ausbreiten, welche die Empfängerreichen,
nachdem sie in der sogenannten E-Schicht oder F-Schicht reflektiert wurden. Die
Raumwellenstrahlung wird in zunehmendem Umfang zur Versorgung von Rundfunkhörern
eingesetzt.
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Das Erdmagnetfeld bewirkt, daß eine in die lonosphäre eindringende
Welle in zwei charakterischitsche Wellen aufgespalten wird, nämlich in dic ordentliche
und in die außerordentlitze Welle. Die beiden charakteristischen Wellen sind im
allgemeinen elliptisch polarisiert, wobei die beiden jeweils durch die transversalen,
elektrischen Feldstärkervektoren gebildeten Polarisations-Ellipsen senkrecht aufeinander
stehen und ihr Drehsinn einander entgegengesetzt ist. Das Verhältnis der Leistungsanteile
der ordentlichen und der außerordentlichen Welle, die von einer ankommenden Welle
angeregt werden, hat von der Polarisation der ankommenden Welle ab. Stimmt diese
genau mit der Polarisation der ordentlichen Welle überein, so geht alle Leistung
in die ordentliche Welle. Die Polarisation der ordentlichen Welle hängt von dem
Winkel -( "Ausbreitungswinkel") zwischen der Ausbreitungsrichtung der ankommenden
Welle und dem Erdmagnetfeld ab.
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Für O = O oder 180 ist die ordentliche Welle zirkular polarisiert,
bei - = 900 ist sie linear, bei anderen O -Werten elliptisch polarisiert. Dabei
liegt die größere hauptachse der Ellipse einerseits ungefähr senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
der ordentlichen Welle, andererseits in der Ebene, die den Vektor des Erdniagnetleldes
und die Ausbreitungsrichtung enthält.
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Aus theoretischen Untersuchungen der Polarisation der ordentlichen
Welle folger P.A. Bradley (Wave polarisation and its influence on the power available
from a radio signal propagated through the ionosphere, Part 2. Proc. lEE, Vol. 115,
No. 6, June 1968, S. 777-781), daß in bestimmten Fällen eine vertikal polarisiert
strehlende Sendeantenne, in anderen rillen eine horizontal polarisiert strahlende
Sendeantenne günstig ist, je nachdem welche die ordentliche Welle stärker anregt
Im
Bereich der Nittelwellen-Frequenzen wird die außerordentliche Welle so stark gedämpft,
daß sie praktisch keinen Beitrag zur Empfangsfeldstärke liefert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, Nittelwellenantennen für Raumwellenversorgung
so zu dimensionieren, daß sie möglichst stark die ordentliche Welle anregen. Dabei
muß die geographische Lage der Sendeantenne und des Empfangsgebietes berücksichtigt
werden.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Für Ausbreitungswinkel 0 , die in dem für die Versorgung wichtigen
Bereich von Abstrahlwinkeln Werte ungleich 900 haben, vorzugsweise Werte zwischen
0 und 450 oder zwischen 135 und 1800, wird die Sendeantenne entsprechend einem Merkmal
der Erfindung so ausgebildet, daß sie in diesem Winkelbereich zirkular oder elliptisch
polarisierte Wellen abstrahlt, wobei die Hauptachsen der Polaris?tionsellipse von
gleicher GröBenordnung sind. Das heißt, daß sich die ITauptachsen um weniger als
den Faktor 10 voneinander unterscheiden.
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Weiterhin ist der Drehsinn der Polarisation, d.h. die Drehrichtung
der transversalen Fcldstärkcvektoren, der gleiche wie bei der ordentlichen Welle,
d.h. in Ausbreitungsrichtung gesehen rechtsdrehend für -<90° und linkedrehend
für -> 90°.
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Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erwindung
erläutert.
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In Fig. 1 sind horizontale Dipole dargestellt, wobei die Fig. In und
Ib bekannte Anordnungen zeigen, während in den Fig. 1c und 1d Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt ind.
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In den Fig. 2 und 3 sind Vertikaldiagramme für die in Fig. 1 gezeigten
Dipole dargestellt.
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Fig 4 zeigt für jede der vier Antennen nach Fig. 1 die Medianwerte
der Empfangsfeldstärke, die sich in den vier Himmelsrichtungen in Abhängigkeit von
der Entfernung von der Sendeantenne ergeben.
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In den Fig. 1a und Ib ist je eine bekannte Anordnung dargestellt,
nämlich ein horizontaler Dipol. Er ist in Fig. 1a in Nord-Süd-Richtung, in Fig.
1b in Out-West-Richtung angebracht, wie durch die Pfeile 1 (ITord) und 0 (Ost) angedeutet.
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Die Längsrichtungen aller in Fig. 1 dargestellten Dipole verlaufen
parallel über der horizontalen Erdoberfläche 1. Sie werden über Speisleitungen 2
gespeist, die jeweils zwischen dem Sernier 3 und einem Speisepunkt liegen, womit
die beiden Anschlußklemmen eines Droles bezeichnet werden.
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Die Fig. 1c und Ad zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, nämlich
horizontale, gekreuzte Dipole, welche die Richtung Nord-Süd und Ost-West haben,
wie durch die Pfeile N und 0 angedeutet. Sm Beispiel nach Fig. 1c werden beide Dipole
mit gleicher Leistung gespeist, im Beispiel nach Fig. Id dagegen erhält der Dipol
in Nord-Süd-Richtung doppelt so viel Leistung wie der andere.
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Die Längenabmessungen der Dipole und ihr Abstand über der Erdoberfläche
1 sind auf die mittlere Betriebswellenlänge # bezogen.
Die Dipolströme
sind auf einen Strom Io bezogen und so gewählt, daß allen vier Antennen nach Fig.
1 die gleiche Leistung zugeführt wird. Ihre Größe wurde für die Feldstörkeberechnungen
so angenommen, daß die maximale ##### Strahlungsleistung (ERP) des Dipols nach den
Fig. 1a oder Ib gleich 1 kW ist.
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In Fig. 1 ist weiterhin angenommen, daß die Inklination I (d.h. der
Winkel des Vektors des Erdmagnetfeldes B gegen die horizontale Erdoberfläche, nach
unten positiv Rerechnet) jeweils am Ort der dargestellten Sendeantenne den crt 450
hat; dies gilt nicht nur fiir Fig. 1, sondern auch für die Fig. Ib, Ic, Id.
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In den Fig. 2 und 3 sind Vertikaldiagramme der Antennen nach Fig.
1 in denjenigen vertikalen Ebenen dargestellt, die senkrecht zu den Dipolen stehen
bzw. die Dipole enthalten. Dabei ist anUenommen, daß der Erdboden die Leitfähigkeit
c t 3 mS/m und die relative Dielektrizitätskonstante Er = 10 hat, sowie daß die
Frequenz 1,25 NHz beträgt.
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In Fig. 2 bezieht sich die Kurve 11 auf den Dipol nach Fig.
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1a oder Ib, wobei das Diagramm die Feldstärkewerte in einer vertikalen
Ebene senkrecht zur Dipolachse angibt.
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Die Kurve 12 bezieht sich ebenfalls auf die Dipole nach Fi£5.
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Ia oder Ib, wobei das Diagramm jedoch die Feldstärke in einer vertikalen
Ebene angibt, welche die Dipolachse enthält.
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Die Kurve 13 bezieht sich auf ein Dipolkreuz nach Fig. 1c, wobei das
Diagramm die Feldstärkewerte in einer vertikalen Ebene angibt, die einen der beiden
Dipole enthält. Da in Fig. Ic beide Dipole mit der gleichen Leistung gespeist *)
(genauer: am Ort der Reflexionen in cer Ionospäre)
werdell, gilt
Kurve13 für jeden der Dipole.
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Fig. @ verdeutlicht, daß die Werte der Vertikaldiagramme bei Antennen
nach den Fig. 1a oder 1b stark davon abhängen, ob sie in einer vertikalen Ebene
seSrecht zur Dipolachse oder durch die Dipolachse gemessen worden sind, während
die Werte des Vertikaldiagramms für die Antenne nach Fig. 1c unabhangig von der
Ausrichtung der vertikalen Ebene, in welcher die Feldstärkewerte gemessen sind,
entweder in Nord-Süd-Richtung oder Ost-West-Richtung sind.
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Eig. 7 zeigt Vertikaldiagramme der Antenne nach Fig. 1d. Die Kurve
21 zeigt das Diagramin in vertikaler Ebene, die in Ost-West-Richtung ausgerichtet
ist. Die Kurve 22 zeigt das Diagramm in einer vertikalen Ebene in der Richtung Nord-Süd.
Es ist ersichtlich, daß es durch die Speisung der Dipole in Fig. 1d mit unterschiedlicben
Leistungen möglich ist, den Feldstärkewerten in unterschiedlicher Himmlsrichtungen
voneinander abweichende Werte zu geben.
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Bild 4 zeigt nun für jede der vier Antennen nach Fig. 1 die Medianwerte
der Einpfangsfeldstärke, die sich in den vier Himmelsrichtungen in Abhangigkeit
von der Entfernung von der Sendeantenne ergeben. Allen vier Antennen wird, wie bereits
oben gesagt, die gleiche Leistung zugeführt.
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Von den beiden bekannten Dipolanordnungen nach den Fig. 1a und Ib
er.eugt der in Nord-Süd-Richtung angebrachte Dipol (Fig. 1a und 4a) bei kleinen
Entfernungen sowie in den Rich--tungen N, W und O größere Feldstärken als der in
Ost-West-Richtung angebrachte Dipol (Fig. Ib und 4b). Der Dipol nach Fig.
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Ib erzeugt aber in südlichen Richtungen größere Feldstärken.
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Zum Vergleich sind in den Fig. 4c und 4-d die Medianwerte der Empfangsfeldstärke
bei einmaliger Reflexion an der E-Schicht der Ionosphäre für die Antennen nach den
Fig. 1c und 1d angegeben. Auch die Medianwerte nach den Fig. qa und 4b sind für
einmalige Reflexion an der E-Schicht berechnet. Um den Vergleich zu ermöglichen,
wurde für die Feldstärkeberchnungen die für alle Antennen gleiche Größe der zugeführten
Leistung so angenommen, daß die maximale ERP jedes Dipols nach den Fig. 1a oder
Ib = 1 kW ist; in Fig. 2, Kurve 11 ist diese Voraussetzung bei dem Zenitwinkel #
- 400 zu erkennen, wobei hier der EIE von 1 kW der Wert von OdB entspricht, bezogen
auf einen kurzen Vertikalatrahler über Erde. Die auf den Ordinaten der Fig. 4a bi.s
4d angegebenen Feldstär)ewerte in mV/m sind unter diesen Bedingungen errechnet,
während auf den Abszissen die Entfermingen in Kilometer von der Sendeantenne in
einer der jeweiligen Abstrahlrichtungen N, S, bzw. W, 0 angegeben sind.
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Die Antenne nach Fig. 1c liefert eine zirkular polarisierte Welle,
weil beide Dipole mi.t gleicher Stromstärke gespeist werden, der in Ostrichtung
ausgerichtete Dipol jedoch mit einer Phasenlage von 00, während der in Nordriciltung
ausgerichtete Dipol demgegenüber um 900 phasenverschol)en gcspeist wird. Ebenso
sind die Phasenlagen der Ströme in Fig.
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1d. Dennoch entsteht hier eine elliptisch polarisierte abgestrahlt
Welle, weil der in Nordrichtung ausgerichtete Dipol gegenüber dem in Ostrichtung
ausgerichteten mit ## fachem Strom, d.h. mit doppelter Leistung gespeist wird.
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Wie die Fig. 4c und 4d zeigen,liefern die Antennen nach den Fig. 1c
bzw. ld im Nahbereich Feldstärken, die um fast 2 bzw.
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etwa 4,5 dB über den Feldstärken der bekannten Antennen nach den Fig.
1a bzw. Ib liegen. Bei der in Fig. 1d dargestellten Speisung des Dipolkreuzes hat
die senkrecht nach oben abgestrahlte
Welle die gleiche Polarisation
wie die ordentliche Welle. Die nach Norden zeigende Hauptachse der Polarisationsellipse
ist um
großer als die andere Hauptachse. Dadurch ist die Feldstärke im Nahbereich noch
etwas größer als bei Speisung der Dipole mit gleichen Amplituden, wie in Fig. 1c
gezeigt. Dennoch liefert die Antenne nach Fig. 1d außerhalb des Nahbereiches in
jeder Richtung ungefähr die gleichen Feldgrößere stärken und zum Teil größere wie
die ######### wie die jeweils günstigdere der Anordnungen nach den Fig. 1a oder
1b.
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Aus der Gegenüberstellung der Fig. 4a, 4b und 4c, 4d sind die Vorteile
der Erfindung ersichtlich.
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Die in den Fig. 1c und 1d angegebenen Ausführungsbeispiele mit dem
Diagrammen nach den Fig. 4c und 4d sind nur beliebig gewählte Ausführungsbeispiels.
Für andere Inklinationen und für unterschiedlich gestaltete Versorgungsgebiete können
andere Ausführungsbeispiele günstiger sein. Bei den hier gewählten Auführungsbeispielen
tritt besonders die gegnüber den Beispielen nach den Fig. 1a und 1b erheblich erhöhte
Empfangsfeldstärke im Nahbereich hervor.