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Dokumentenidentifikation DE102006022037A1 15.11.2007
Titel Verfahren zum Betrieb einer Antennenanlage
Anmelder Deutsche Telekom AG, 53113 Bonn, DE
Erfinder Olm, Rolf-Dieter, 15754 Heidesee, DE
DE-Anmeldedatum 08.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006022037
Offenlegungstag 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 21/00(2006.01)A, F, I, 20060508, B, H, DE
Zusammenfassung Verfahren zum Nachtbetrieb einer im Lang- oder Mittelwellenbereich sendenden Antennenanlage, umfassend mindestens zwei Antennen, wobei ein auszusendendes Signal digital auf die Trägerwelle aufmoduliert wird und wobei das Signal den Antennen über einen Speisestrom zugeführt wird und wobei eine Bodenwelle mit der ersten Antenne und quasi zeitgleich eine Raumwelle mit der zweiten Antenne erzeugt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer im Langwellenbereich oder im Mittelwellenbereich sendenden Antennenanlage, die zwei oder mehr Antennen umfasst, wobei ein auszusendendes Signal digital, insbesondere nach dem DRM Standard, auf die Trägerwelle aufmoduliert wird. Dabei wird das Signal den Antennen über einen Speisestrom zugeführt. Die Erfindung betrifft zudem ein Antennensystem aufweisend mindestens zwei Antennen, das zur Umsetzung des Verfahrens geeignet ist.

Derartige Antennensysteme sind ebenso lange bekannt, wie ein für diese Systeme typisches Phänomen: So sind in den genannten Frequenzbereichen der Lang- und Mittelwelle die Versorgungsgebiete am Tag und in der Nacht unterschiedlich groß. Die Ursache dafür liegt in den sich verändernden Ausbreitungsbedingungen für die Raumwelle, die am Tag von der in etwa 80 km Höhe vorhandenen D-Schicht der Ionosphäre absorbiert wird. Diese D-Schicht löst sich nach Sonnenuntergang jedoch auf und die Raumwelle wird an der F- bzw. E-Schicht wieder auf den Erdboden reflektiert. Am Tag trägt die Raumwelle somit kaum zur Feldstärke auf dem Erdboden bei, während bei Nacht die Reichweite leistungsstarker Sender durch die sich ständig an Ionosphäre und Erdboden reflektierende Raumwelle verhältnismäßig groß und bedeutend weiter als die Reichweite am Tage sein kann.

Diese erhöhte Reichweite ist jedoch nur bedingt von Vorteil: So macht sich die erhöhte Reichweite nämlich bei einer großen Senderdichte, wie sie im LW- MW-Bereich existiert, in erster Linie in einer erhöhten gegenseitigen Störung der Gleichkanalsender bemerkbar. Durch diese störenden Einflüsse kann die nutzbare Feldstärke um mehr als 10 dB ansteigen. In der Praxis ist die Raumwelle somit für die Erhöhung der Reichweiten wegen dieser Störeinflüsse nicht nutzbar. Meist ist die nutzbare Reichweite der Sender in der Nacht sogar erheblich geringer als am Tage.

Zudem ist ein weiterer Effekt bekannt: Wegen der unterschiedlichen Laufzeiten von Bodenwelle und Raumwelle kommt es in Bereichen, in denen die Feldstärken der Bodenwelle und der Raumwelle etwa gleich groß sind, wegen der Interferenz zu lokalen Auslöschungen, die als Nahfeldschwund bezeichnet werden. Um den Nahfeldschwund bei leistungsstarken Sendern zu vermeiden, werden Antennen verwendet, welche die Raumwelle verhältnismäßig flach abstrahlen. Damit erreicht die Raumwelle die Erdoberfläche nach der Reflektion an der Ionosphäre erst in großer Entfernung vom Sender und außerhalb des Versorgungsbereiches der Bodenwelle, so dass Interferenzerscheinungen vermieden werden. Für diese Betriebsart können vertikal gestockte Vertikalantennen genutzt werden, wie sie als „Marconi-Franklin-Antennen" beispielsweise auch in dem GB 242 342 von 1924 beschrieben werden.

Es sind auch Antennenanlagen bekannt, die einerseits eine steil nach oben strahlende horizontal polarisierte Antenne („HP-Antenne") und andererseits eine Vertikalantenne umfassen. Diese Anlagen nutzen am Tag die Vertikalantenne zur Erzeugung einer Bodenwelle. In der Nacht wird diese Bodenwelle durch die sich von anderen Sendern ausbreitenden Raumwellen stark gestört, so dass eine Überdeckung der Randbereiche nicht mehr gewährleistet werden kann. Deswegen wird bei Nacht die Vertikalantenne ausgeschaltet und die HP-Antenne genutzt, die lediglich eine unbedeutende Bodenwelle erzeugt. Die HP-Antenne strahlt die Raumwelle steil nach oben ab und ermöglicht mit der reflektierten Raumwelle die Versorgung des sendernahen Gebietes bei Nacht. Durch das Abschalten der Vertikalantenne wird der Nahfeldschwund vermieden.

Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung liegen nunmehr darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Antennenanlage vorzuschlagen, das sich einfach umsetzen lässt und mit dem eine möglichst gute Flächenabdeckung eines Sendegebietes sowohl bei Tag als auch bei Nacht möglich ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Antennenanlage zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.

Die Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 und eine Antennenanlage mit den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.

Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, zumindest während der Nacht zeitgleich sowohl eine Bodenwelle als auch eine Raumwelle zu erzeugen, wobei „zeitgleich" insofern „quasi zeitgleich" ist, als zwischen der Bodenwelle und der Raumwelle lediglich eine Phasenverschiebung besteht. Erfindungsgemäß wird die Abstrahlrichtung der Raumwelle so eingestellt, dass die reflektierte Raumwelle zumindest das zu versorgende Sendegebiet abdeckt. Dabei geht die Erfindung davon aus, dass die digital auf die Trägerwelle modulierten Signale innerhalb des Sendegebietes konstruktiv interferieren, solange die Laufzeitunterschiede des von der Bodenwelle empfangenen Signals und des von der Raumwelle empfangenen Signals innerhalb des Guard-Intervalls bleiben. Der Empfänger kann also in dem Gebiet die Summe der beiden Signalstärken nutzen.

Zusammengefasst liegt die Erfindung letztendlich darin, bei digitalen Mittel- oder Langwellensendern nachts, wenn der Empfang der Bodenwelle durch andere Sender gestört wird, die konstruktive Interferenz von Raumwelle und Bodenwelle zu nutzen. Während zur Erzeugung der Bodenwelle vorteilhafterweise eine vertikal polarisierende Antenne genutzt wird, kann die Raumwelle entweder mit einer Horizontalantenne oder einer Vertikalantenne erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Nutzung von Raumwelle und Bodenwelle in Sendernähe führt zusammen mit der durch DRM erreichbaren Übertragungsqualität zu einer Steigerung der Attraktivität des Mittel- und Langwellenbereiches für Hörer und damit auch für Programmanbieter.

Wenn zur Erzeugung der Raumwelle eine Vertikalantenne vorgesehen ist, liegt ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt darin, die Hauptstrahlrichtung der Raumwelle über eine Phasenverschiebung gegenüber der Bodenwelle einzustellen, wobei je nach Größe des zu erreichenden Sendegebietes ein Abstrahlwinkel von über 30° („Erhebungswinkel") gegenüber der Horizontalen erzeugt wird. Dabei erfolgt die Einstellung der Phasenverschiebung und damit des Abstrahlwinkels über die Steuerung der Speiseströme für die erste Antenne und die zweite Antenne.

Im Falle der vertikal angeordneten Antennen, die insbesondere als gestockte Antennen ausgebildet sind, kann die Phasenverschiebung auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. So ist es zwar möglich, beide Antennen mit demselben Speisestrom zu speisen und die Phasenverschiebung über die Länge der zwischen den hintereinander geschalteten Antennen verlaufenden Speiseleitung zu beeinflussen. Die Speisung des oberen Strahlers über den unteren Strahler entspricht der einer „Franklin-Markoni" Antenne.

Es ist jedoch wegen der einfacheren Handhabung respektive Steuerung von Vorteil, wenn beide Antennen von jeweils einer separaten Speiseleitung mit einem Speisestrom versorgt werden. Der Unterschied der Speiseströme kann dazu genutzt werden, das Verhältnis der maximalen Feldstärken von Bodenwelle zu Raumwelle durch unterschiedliche Amplituden der Speiseströme einzustellen, wobei es in manchen Fällen vorteilhaft ist, die Amplituden der Speiseströme so einzustellen, dass die Bodenwelle und die Raumwelle zumindest nahezu dieselbe Feldstärke im Maximum haben. Durch entsprechende Dimensionierung der Stärke der Speiseströme und der Phasenwinkel kann eine optimale Versorgung am Rande des an sich von der Bodenwelle abgedeckten Versorgungsgebietes erreicht werden.

Eine konstruktiv einfache Lösung liegt darin, die Phasenverschiebung durch die unterschiedliche Länge der zur Zuführung der jeweiligen Speiseströme benutzten Speiseleitungen fest einzustellen. Dabei kann der Längenunterschied, der zu einer gewünschten Phasenverschiebung und damit zu einem Abstrahlwinkel und zu einer Flächenabdeckung führt einfach berechnet werden. Es ist aber besonders vorteilhaft, die Phasenverschiebung durch phasenschiebende Bauteile, wie durch L-C-Glieder, variabel einzustellen. Durch diese Variabilität lässt sich die nutzbare Feldstärke je nach Bedarf einstellen und aktuell modifizieren. Zudem können diese Bauteile auch zur Einstellung der Amplitude der Speiseströme verwendet werden.

Sicherlich ist es vorteilhaft, die Parameter so zu wählen, dass der Abstrahlwinkel der Raumwelle und damit die Flächendeckung der Reflexion in Korrelation mit der Reichweite der Bodenwelle steht. Dabei sollte die an der Ionosphäre reflektierte Raumwelle einen Großteil der Reichweite der Bodenwelle abdecken und zudem der Laufzeitunterschied der Signale innerhalb des Guard-Intervalls bleiben. Bei all den Vorausberechnungen ist es auch vorteilhaft, die Bauhöhe und/oder die Anordnung der Antennen mit zu berücksichtigen.

Bei der technischen Realisierung der Antennenanlage kann auf die bekannten Konstruktionen gestockter Vertikalantennen zurückgegriffen werden. So lässt sich die Antenne mit als Reusen ausgeführten Strahlern realisieren, die an einem Mast befestigt sind, der lediglich als Träger dient. Ebenso ist eine selbststrahlende Konstruktion denkbar, bei der die einzelnen Mastabschnitte durch isolierende Konstruktionselemente von einander getrennt sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erklärt. Es zeigen:

1 zwei mögliche Antennensysteme umfassend vertikal angeordnete Antennen und

2 ein Vertikaldiagramm der Feldverteilung eines erfindungsgemäß betriebenen Antennensystems und

3 geometrische Verhältnisse einer DRM Antenne als Grundlage für die Berechnung der Parameter.

In 1 sind zwei Antennensysteme a) und b) („gestockte Vertikalantennen") mit je zwei vertikal angeordneten Antennen, einer &lgr;/4-Antenne 1 und einer darüber angeordneten &lgr;/2-Antenne 2, abgebildet. Zumindest eine der Antennen erzeugt eine Bodenwelle. Die dargestellten Antennensysteme werden für die Übertragung von digitalem Rundfunk eingesetzt, wobei entsprechende (nicht dargestellte) Mittel zur Erzeugung digitaler Modulationssignale vorhanden sind.

Das gestockte Antennensystem nach 1 wird über eine einzige Speiseleitung 3 versorgt, über die das Signal eingespeist wird. Zwischen den Antennen 1 und 2 wird eine Phasenverschiebung des Signals vermittels einer Verbindungsleitung 4 erzeugt, welche die beiden übereinander angeordneten Antennen verbindet und wegen ihrer Länge eine Phasenverschiebung durch einen Laufzeitunterschied der Signale in den Leitungen eine Raumwelle mit einem Abstrahlwinkel von >= 30° hervorruft.

Das Antennensystem nach 2 wird über zwei Speiseleitungen 5 und 6 versorgt, die zwischen phasenschiebenden Bauteilen 7 und 8, insbesondere L-C-Gliedern, und den jeweiligen Antennen 1 und 2 angeordnet sind. Mit den Bauteilen 7 und 8 wird eine Phasenverschiebung eingestellt, die neben der Bodenwelle eine Raumwelle mit maximaler Feldstärke in einem Abstrahlwinkel von >= 30° gegenüber der Horizontalen erzeugt.

2 zeigt ein Vertikaldiagramm der Feldverteilung eines solchermaßen betriebenen Antennensystems. Deutlich zu erkennen ist die Intensitätsverteilung 9 der flachen Bodenwelle, während die Intensität 10 der Raumwelle im Winkel von etwa 35° nach oben strahlt. Die Feldstärken sind dabei etwa gleichverteilt.

3 bildet die Grundlage für die nachfolgenden Berechnungen, mit denen ein solches Vertikaldiagramm einer vertikal ausgerichteten, gestockten Antenne in Abhängigkeit der Antennenhöhe h, des Stromes I und der Phasenverschiebung &Dgr;&phgr; vorausberechnet werden kann. Dabei geht es nicht um die Berechnung der absoluten Feldstärke oder das Verhalten der Antenne im Nahfeld, so dass sich einige Vereinfachungen vornehmen lassen. So wird vorausgesetzt, dass die Antenne bezüglich der horizontalen Ebene ein Rundstrahler ist. Da nicht die absolute Feldstärke gesucht wird, können alle linearen Glieder ignoriert werden. Das Ergebnis der Berechnung wird auf den größten Wert normiert. Wegen der Symmetrie muss die Antenne an der Erdoberfläche 11 gespiegelt werden. Die Erdoberfläche kann dabei als Äquipotenzialfläche angesehen werden. Zudem wird ein sinusförmiges Diagramm der einzelnen Strahler in der vertikalen Ebene unterstellt.

Die Berechnungen gehen, wie üblich, von einem Kugelkoordinatensystem aus, wobei ϑ = 0 die horizontale Ebene ist. Die elektrische Feldstärke im Fernfeld berechnet sich aus:

wobei Z0 der Freiraumwiderstand (120&pgr;&OHgr;), e-j&bgr;0r die Wellenausbreitung in r-Richtung, I0 der Speisestrom, Ieff die effektive Länge des Strahlers und r die Entfernung vom Strahler ist.

Da es nur um die Abhängigkeit der Feldstärke von Erhebungswinkel u und dem Strom I geht lässt sich die Formel (1) vereinfachen zu:

Bei der nachfolgenden Zusammenfassung der einzelnen Komponenten des Antennensystems wird berücksichtigt, dass die effektive Länge der beiden Antennen unterschiedlich ist. Da beide Strahler einen unterschiedlichen Widerstand haben, wird dennoch die gleiche Leistung abgestrahlt.

Zusätzlich wird die Feldstärke der gespiegelten Strahler berücksichtigt

Die einzelnen Komponenten werden unter Berücksichtigung der aus &Dgr;r resultierenden Phasenverschiebung &ggr; überlagert.

Diese Beziehung gilt unter der Voraussetzung, dass &phgr;1 = &phgr;2 ist.

Da auch die Phasenverschiebung zwischen beiden Strahlern zur Diagrammbeeinflussung genutzt werden soll, muss die Phasendifferenz &Dgr;&phgr; = &phgr;2 – &phgr;1(8) bei der Berechnung berücksichtigt werden.

Weiterhin ist es zweckmäßig die Ströme auf I1 zu normieren und die Größe

einzuführen. Damit ergibt sich die Beziehung: E = 2·cos(ϑ) + &Dgr;I·cos(ϑ)·cos(&ggr; + &Dgr;&phgr;) + &Dgr;I·cos(ϑ)·cos(–&ggr; + &Dgr;&phgr;)(10) aus der das Vertikaldiagramm in Abhängigkeit von &Dgr;I, &Dgr;&phgr; und h berechnet werden kann.


Anspruch[de]
Verfahren zum Nachtbetrieb einer im Lang- oder Mittelwellenbereich sendenden Antennenanlage umfassend mindestens zwei Antennen (1, 2), wobei ein auszusendendes Signal digital auf die Trägerwelle aufmoduliert wird, und wobei das Signal den Antennen (1, 2) über einen Speisestrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenwelle (9) mit der ersten Antenne (1) und quasi zeitgleich eine Raumwelle (10) mit der zweiten Antenne (2) erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennen (1, 2) vertikal angeordnet werden, wobei zwischen dem Speisestrom für die erste Antenne und dem Speisestrom für die zweite Antenne eine Phasenverschiebung eingestellt wird, die eine Raumwelle mit einer Hauptstrahlrichtung in einem Abstrahlwinkel von >= 30° gegenüber der Horizontalen erzeugt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennen (1, 2) von jeweils einer separaten Speiseleitung (5, 6) mit einem Speisestrom versorgt werden. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der maximalen Feldstärken von Bodenwelle zu Raumwelle durch unterschiedliche Amplituden der Speiseströme eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der Speiseströme so eingestellt werden, dass Bodenwelle und Raumwelle zumindest nahezu dieselbe Feldstärke im Maximum haben. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung durch die unterschiedliche Länge der zur Zuführung der Speiseströme benutzten Speiseleitungen fest eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung durch phasenschiebende Bauteile (7, 8), insbesondere durch L-C-Glieder, variabel eingestellt wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der geeigneten Phasenverschiebung die Bauhöhe und die Anordnung der Antennen (1, 2) berücksichtigt wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstrahlwinkel der Raumwelle in Korrelation mit der Reichweite der Bodenwelle eingestellt wird, wobei die an der Ionosphäre reflektierte Raumwelle einen Großteil der Reichweite der Bodenwelle abdeckt, wobei der Laufzeitunterschied der Signale innerhalb des Guard-Intervalls bleibt. Antennensystem aufweisend mindestens zwei Antennen (1, 2), wobei zumindest eine Antenne (1) zur Erzeugung einer Bodenwelle und eine Antenne (2) zur Erzeugung einer Raumwelle geeignet ist und wobei Mittel zur Erzeugung digitaler Modulationssignale vorhanden sind, gekennzeichnet durch von einander unabhängige Speiseleitungen (5, 6) zur Versorgung der beiden Antennen (1, 2), wobei Mittel zur Phasenverschiebung (7, 8) der den Antennen (1, 2) durch die Speiseleitungen (5, 6) zugeführten Speiseströme vorhanden sind, wobei mit den Mitteln (7, 8) eine Phasenverschiebung einstellbar ist, die neben der Bodenwelle eine Raumwelle mit maximaler Feldstärke in einem Abstrahlwinkel von >= 30° gegenüber der Horizontalen erzeugt. Antennensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (1, 2) als gestockte Vertikalantennen ausgebildet sind. Antennensystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Phasenverschiebung (7, 8) unterschiedlich lange Speiseleitungen sind. Antennensystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Phasenverschiebung phasenschiebende Bauteile, insbesondere durch L-C-Glieder, sind. Verwendung des Antennensystems nach einem der Ansprüche 10 bis 13 als DRM-Antenne.






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