DE1104569B

DE1104569B - Antenna system, in particular directional antenna system, for a room diversity receiving system

Info

Publication number: DE1104569B
Application number: DES58931A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Horst Wille
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-07-10
Filing date: 1958-07-10
Publication date: 1961-04-13

Description

Antennenanlage, insbesondere Richtantennenanlage, für eine Raumdiversity-Empfangsanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantennenanlage für eine Raumdivers.ity-Empfangsanlage, bestehend aus wenigstens zwei getrennte Empfänger speisenden, räumlich getrennten Richtantennen.Antenna system, in particular directional antenna system, for a room diversity receiving system The invention relates to a directional antenna system for a Raumdivers.ity receiving system, consisting of at least two separate receivers feeding, spatially separated Directional antennas.

Bekanntlich wird der Empfang mit einer einzigen Empfängerantenne durch Interferenzen u. dgl. häufig in der Weise gestört, daß das Empfangssignal auf ein für die Übertragung unbrauchbares Maß absinkt. Werden mehrere an räumlich verschiedenen Orten aufgestellte Antennen einer Betrachtung der Störungshäufigkeit unterzogen, so zeigt sich, daß für die meisten Fälle des Auftretens eines Empfangssignalschwundes dieser nur selten bei allen Antennen zugleich auftritt. Vielmehr ist für den weitaus größten Teil der Zeit stets eine Antenne vorhanden, an deren Ausgang noch eine brauchbare Empfangsspannung zur Verfügung steht. Von dieser Tatsache wird in der Praxis in den einleitend erwähnten Raumdiversity-Empfangsanlagen in der Weise Gebrauch gemacht, daß wenigstens zwei räumlich getrennte Empfangsantennen vorgesehen werden, deren jede einer. gesonderten Empfänger speist, von deren Ausgangsspannungen für die Auswertung in an sich bekannter Weise jeweils die mit der höheren Amplitude ausgewählt wird. Nachteilig an derartigen Anlagen ist der relativ große Aufwand vor allein an Antennen; denn bei den Empfängern können gewisse Teile für die einzelnen Empfangswege gemeinsam vorgesehen werden. Bei den Empfangsantennen ist dies nicht möglich.As is known, the reception is carried out with a single receiver antenna Interference and the like. Often disturbed in such a way that the received signal on a for the transfer useless level drops. Will be several at spatially different Antennas installed in locations subjected to an examination of the frequency of interference, thus it is found that for most cases of the occurrence of a reception signal fading this rarely occurs at all antennas at the same time. Rather, it is far For the most part of the time there is always an antenna available, at the output of which there is still a usable one Receiving voltage is available. This fact is used in practice in made use of the space diversity reception systems mentioned in the introduction, that at least two spatially separate receiving antennas are provided, their each one. separate receiver feeds its output voltages for evaluation the one with the higher amplitude is selected in a manner known per se. The disadvantage of such systems is the relatively large amount of effort required for antennas alone; because at the recipients certain parts for the individual reception paths can be shared are provided. This is not possible with the receiving antennas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf dem eine wesentliche Abschwächung dieser Nachteile erreicht werden kann.The invention is based on the object of providing a way which can significantly mitigate these disadvantages.

Diese Aufgabe wird bei einer Richtantennenanlage für eine Raumdiversity-Empfangsanlage, bestehend aus wenigstens zwei getrennte Empfänger speisenden., räumlich getrennten Richtantennen, gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß bei Empfangsfrequenzen. im Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen die Richtantennen um den Faktor 2 bis 3 unterschiedliche Apertur haben.This task is performed with a directional antenna system for a room diversity receiving system, consisting of at least two separate receivers feeding., spatially separated Directional antennas, solved according to the invention in such a way that at reception frequencies. in the range of very short electromagnetic waves the directional antennas by the factor Have 2 to 3 different apertures.

Es ist an sich durch die deutsche Patentschrift 516 687 bekannt, daß eine verschiedene Lage der einzelnen Antennen einer Diversityanlage unterschiedliche Schwundwirkungen, bei den einzelnen Antennen zur Folge hat, so daß auf diese Weise ein Ausgleich im Empfang innerhalb gewisser Grenzen möglich ist. Dieselben Verhältnisse können auch bei Verwendung mehrerer Antennen verschiedener Richtwirkungen, die an demselben Punkt aufgestellt sind, erzielt werden. Die Realisierung dieses Vorschlages bereitet indes große Schwierigkeiten, und zwar allein schon aus räumlichen Gründen.It is known per se from German patent specification 516 687 that a different position of the individual antennas of a diversity system different At the individual antennas, so that in this way compensation in reception is possible within certain limits. Same conditions can also with the use of several antennas with different directional effects are set up at the same point. The realization of this proposal however, causes great difficulties, if only for spatial reasons.

Weiterhin ist es durch die Zeitschrift »Funk«, 1939, Heft 5, S. 132, bekannt, unterschiedlich große Empfangsantennen bei einer Diversityanlage zu verwenden. Die dort behandelten Antennen sind indes solche ohne Richtwirkung und haben gegenüber der Betriebswellenlänge eine kurze Länge, so daß im Vergleich zum Erfindungsgegenstand andere Verhältnisse gegeben sind.Furthermore, it is through the magazine "Funk", 1939, issue 5, p. 132, known to use differently sized receiving antennas in a diversity system. The antennas dealt with there are, however, those without directional effect and have opposite the operating wavelength has a short length, so that compared to the subject invention other conditions are given.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß für die Beurteilung der Brauchbarkeit der Gesamtanlage die Summenhäufigkeiten der Unterschreitungswahrscheinlichkeiten der Empfangsspannungen maßgebend sind, zweckmäßig unter Zugrundelegung der sogenannten Rayleigh-Verteilung.The invention is based on the knowledge that for the Assessment of the usability of the overall system, the cumulative frequencies of the underflow probabilities the receiving voltages are decisive, expediently based on the so-called Rayleigh distribution.

Die Rayleigh-Verteilung stellt nämlich eine sehr ungünstige Summenhäufigkeitsverteilung dar, so daß sich die folgenden Angaben und Untersuchungen gerade auf die Zeiten mit schlechten Ausbreitungsbedingungen beziehen, in denen die Vorteile des Diversityempfangs besonders hervortreten sollen, Bei Strecken mit freier Ausbreitung ist die Rayleigh-Verteilung allein maßgebend. Bei Streustrahlverbindungen ist außerdem die Degradation der Empfangsantenne, d. h. der mit zunehmender Öffnung der Antenne zunehmende Verlust an Antennengewinn zu berücksichtigen. Der Betrachtung liegt ferner Umschaltdiversity zugrunde, d. h. immer die Antenne mit der momentan höheren Empfangsspannung bestimmt die Summenhäufigkeitsverteilung des Diversityempfangspegels. Die Unterschiede zur Kombinationscliversity können vernachlässigt werden. Aus Vereinfachungsgründen ist der Betrachtung fernerhin Diversityempfang mit nur zwei Antennen zugrunde gelegt.The Rayleigh distribution represents a very unfavorable cumulative frequency distribution so that the following information and investigations relate to the times with poor propagation conditions, in which the advantages of diversity reception should particularly stand out, In the case of stretches with free propagation, the Rayleigh distribution solely authoritative. In the case of scattered radiation connections, the degradation of the receiving antenna is also d. H. the loss of antenna gain that increases with the increasing opening of the antenna to consider. The consideration is also based on switch diversity, i. H. the antenna with the currently higher reception voltage always determines the cumulative frequency distribution the diversity reception level. The differences to the combination university can be ignored. For the sake of simplicity, the consideration is also diversity reception with only two antennas.

Mit diesen Annahmen ist die Summenhäufigkeit .5'(;z) des Diversityempfangspegels gleich dem Produkt der Summenhäufigkeiten der Empfangspegel Si(rai) und 52(;z.,) der einzelnen Antennen, also S (tz) = S, (ly - 52 (11. ,) nterschreitungswahrscheinlichkeit). Die Anwendung dieses Resultates auf eine Richfunk-:trecke mit Parabolspiegelantennen und mit freier Ausbreitung, umgerechnet auf die gebräuchlichen Überschreitungswahrscheinlichkeiten, ist in der Tabelle 1 wiedergegeben. In der Tabelle 1 ist der Diversityg , e Winn fü ir verschiedene Durchmesserverhältnisse dl:d2 der beiden Parabolspiegelantennen angegeben. Die Werte gelten für verschiedene Prozentzahlen der Zeit. Die absolute Größe der Antennen ist hierbei ohne Bedeutung. Tabelle 1. (Richtfunkstrecken mit freier Ausbreitung) Summenhäufiigkeits- prozent Diversityge-,vinn der Überschreitungs- n#ahrscheinlichkeit d-2 - dz d2 = -/s di d2 _ 1/2 dl 99,9 15,-1 13 !i 12 99 10 8,5 7 90 5,6 3,8 3 50 2.6 1,2 0,5 10 1, ") - - 1 0.6 - - 0.1 0,5 - - d = Durchmesser der Parabolantenne. Bei Streuausbreitung muß, wie bereits erwähnt, die Degradation des Antennengewinns auf der Empfangsseite berücksichtigt werden. Die Degradation. ist von der absoluten Größe der Antenne abhängig. Deshalb werden die folgenden Angaben zur Erläuterung dieses Einflusses auf bestimmte Größen der Antenne, bei dein erwähnten Beispiel auf bestimmte Durchniesser der Parabolspiegel, bezogen.With these assumptions, the cumulative frequency .5 '(; z) of the diversity reception level is equal to the product of the cumulative frequencies of the reception levels Si (rai) and 52 (; z.) Of the individual antennas, i.e. S (tz) = S, (ly - 52 (11th,) failure probability). The application of this result to a directional radio route with parabolic reflector antennas and with free propagation, converted to the usual probabilities of exceedance, is shown in Table 1. Table 1 shows the diversity g , e win for different diameter ratios d1: d2 of the two parabolic mirror antennas. The values apply to different percentages of time. The absolute size of the antennas is irrelevant here. Table 1. (Directional radio links with free propagation) Cumulative frequency percent diversity, vinn the exceedance n # probability d -2 - dz d2 = - / s di d2 _ 1/2 dl 99.9 15, -1 13! I 12 99 10 8.5 7 90 5.6 3.8 3 50 2.6 1.2 0.5 10 1, ") - - 1 0.6 - - 0.1 0.5 - - d = diameter of the parabolic antenna. As already mentioned, in the case of scatter propagation, the degradation of the antenna gain on the receiving side must be taken into account. The degradation. depends on the absolute size of the antenna. Therefore, the following information to explain this influence is related to certain sizes of the antenna, in the example mentioned, to certain diameters of the parabolic mirror.

Es wird von der Annahme ausgegangen, daß die jeweils kleinere Antenne, beim Ausführungsbeispiel der jeweils kleinere Spiegel, einschließlich seiner Degradation eine Rayleigh-Verteilung seines Empfangspegels hat. Wie umfangreiche Untersuchungen gezeigt haben, ist dies für die kurzzeitigen Schwankungen, die durch den Diversityempfang kompensiert werden sollen, gerechtfertigt. Die Summenhäufigkeitsverteilung des Empfangspegels der größeren Antenne wurde mit Berücksichtigung der Differenz im Gewinn und der zusätzlichen Degradation aus der Verteilung für den kleineren Spiegel ermittelt. Wie vorstehend wurde auch hier durch Produktbildung der Summenhäufigkeiten der einzelnen Antennen der Diversitygewinn ermittelt. Die Tabelle 2 zeigt das Ergebnis, ebenfalls umgerechnet auf Überschreitungswahrscheinlichkeiten. Tabelle 2 (Streuausbreitung) Summenhäufigkeits- pr ozent Diversitygewinn der überschreitungs- wahrscheinlichkeit 10: 10 m 0 I 10: 7 m 0 1 10: 5 m 0 i 10: 3 m 0 99,9 16 I 15,6 14,6 i 11.8 99 10,5 9,8 9 6.4 90 6 5 4,2 3.2 50 3 2 i 1 10 1,5 0,3 i - - 1 0,8 - - -- 0,1 0,4 mo = Durchmesser der Parabolantenne in Metern. In den vorstehenden Tabellen wird unter Diversitygewinn bei Verwendung von zwei räumlich getrennten Antennen verstanden, daß der Empfangspegel für einen bestimmten Prozentsatz der Zeit um den angegebenen Faktor (in dB) größer ist als der Empfangspegel mit der jeweils größeren Antenne allein. 100'°/o Summenhäufigkeit entsprechen dabei der Gesamtbetriebszeit der Richtfunkanlage.It is assumed that the smaller antenna in each case, in the exemplary embodiment the smaller mirror in each case, including its degradation, has a Rayleigh distribution of its reception level. As extensive studies have shown, this is justified for the short-term fluctuations that the diversity reception is supposed to compensate. The cumulative frequency distribution of the reception level of the larger antenna was determined taking into account the difference in gain and the additional degradation from the distribution for the smaller mirror. As above, the diversity gain was also determined here by forming the product of the cumulative frequencies of the individual antennas. Table 2 shows the result, also converted to the probability of exceedance. Table 2 (Spread of scatter) Cumulative frequency percent diversity gain the exceedance probability 10: 10 m 0 I 10: 7 m 0 1 10: 5 m 0 i 10: 3 m 0 99.9 16 I 15.6 14.6 i 11.8 99 10.5 9.8 9 6.4 90 6 5 4.2 3.2 50 3 2 i 1 10 1.5 0.3 i - - 1 0.8 - - - 0.1 0.4 mo = diameter of the parabolic antenna in meters. In the tables above, diversity gain when using two spatially separated antennas is understood to mean that the reception level for a certain percentage of the time is greater by the specified factor (in dB) than the reception level with the larger antenna alone. 100% cumulative frequency corresponds to the total operating time of the radio relay system.

Wie man aus den Tabellen ersehen kann, ist für die beim Ausführungsbeispiel gewählten Parabolspiegelantennen die Verringerung des Diversitygewinns bei Verwendung unterschiedlicher Antennendurchmesser nur gering. Wenn also gemäß der Erfindung für Diversity-Empfangsanlagen mit mehreren Antennen die Richtantennen unterschiedliche Antennenapertur haben, so ist es auf diese- Weise möglich, den Aufwand an der Gesamtanteimenanlage außerordentlich zu verringern, ohne daß der Diversitygewinn nennenswert abnimmt. Vor allem bei Richtfunkstrecken kommt diesem Umstand besondere Bedeutung zu, weil die Windangriffsfläche von Antennen quadratisch mit dem Durchmesser der Antennen verknüpft ist. Eine Verringerung des Antennendurchmessers, beispielsweise um den Faktor 2, verringert daher die Windangriffsfläche bereits um den Faktor 4, wodurch die Forderungen an die Stabilität der Befestigungskonstruktion und der Antennenkonstruktion wesentlich gemildert werden. Man hat hierdurch die Möglichkeit, einfachere und weniger aufwendige Konstruktionen anzuwenden, und hat außerdem den Vorteil einer wesentlich kleineren Antennenanlage, die sich in den meisten Fällen besser unterbringen läßt als eine Anlage aus mehreren gleich großen Antennen.As can be seen from the tables, is for the embodiment selected parabolic mirror antennas reduce the diversity gain when used different antenna diameters only slightly. So if according to the invention for diversity reception systems with several antennas, the directional antennas are different Have antenna aperture, so it is possible in this way to reduce the effort on the overall edge system to be reduced extraordinarily without the gain in diversity decreasing appreciably. This fact is particularly important in the case of directional radio links because the area exposed to wind by antennas is square with the diameter of the antennas is linked. A reduction in the antenna diameter, for example by the Factor 2, therefore already reduces the area exposed to wind by a factor of 4, whereby the demands on the stability of the mounting structure and the antenna structure be substantially mitigated. This gives you the option of simpler and less apply elaborate constructions, and also has the advantage of a substantial smaller antenna system, which can be accommodated better in most cases as a system made up of several antennas of the same size.

Claims

PATENT CLAIM: Directional antenna system for a room diversity receiving system, consisting of at least two separate receivers feeding, spatially separated Directional antennas, characterized in that the reception frequencies in the range of very short electromagnetic waves the directional antennas by a factor of 2 to 3 different Have aperture. Documents considered: German Patent No. 516 687; "Funk", No. 5, 1939, p. 132; "ETZ", issue 15 from April 14, 1938, p. 398.