DE1541724A1

DE1541724A1 - Funkempfangsgeraet,das sowohl auf elektrische als auch auf magnetische Feldkomponenten des uebertragenen Signals anspricht

Info

Publication number: DE1541724A1
Application number: DE19661541724
Authority: DE
Inventors: Pierce John Robinson
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1965-09-29
Filing date: 1966-08-17
Publication date: 1970-02-19
Also published as: US3475687A; GB1155903A; BE686461A

Description

WKSTh¹RN KLlXTRIC COMPANY INCORPORATED 1 5 A 1724

N'imv York, N, Y. 10007 USA ^ ,,_ _Pu,_rce «,-

. Funkempfangsgeräl, das sowohl auf elektrische als auch auf inagnei ische Feldkomponenten des übertragenen Signals anspricht

Die Erfindung betrifft bewegliche Funknachrichtenempfänger, insbesondere Geräte au· Verbesserung des Empfangs derartiger Empfänger.

In der US-Patentschrift 1 T)OO 47(i ist eine Anordnung beschrieben, um eine Störung eines abgestimmten Funkempfängers durch Signale zu verhindern, die mit einer Frequenz ankommen, welche von der gewünschten Frequenz verschieden ist. Ε·] s sind Antennen vorgesehen, um eine elektrische Feldkomponente und eine hierzu senkrechte magnetische Feldkomponente der ankommenden Funkwellen .αϊ empfange trennten

gen. DieWntennen sind mit einer Signalschaltung und einer Ausgleichsschaltung gekoppelt, die jeweils auf die Signal- und die Störfrequenz abgestimmt sind. Bei dieser Anordnung sind die Ströme in " der Ausgleichsschaltung bei der Störfrequenz in Gegenphase mit den Strömen in der Signalschaltung bei der Störfrequenz. Die Signalschaltung und die Ausgleichsschaltung sinfl in geeigneter Weise miteinander gekoppelt deraz*t, daß die unerwünschten Signale ausgelöscht werden.

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Unglücklicherweise arbeitet eine derartige Anordnung nicht zufriedenstellend, wenn die Störung nicht durch Signale mit einer vom gewünschten Signal verschiedenen Frequenz verursacht wird, sondern durch Signale mit der gleichen Frequenz aber mit verschiedenen räumlichen Phasen. Dies ist z.B. bei beweglichen Funksvstemen der Fall, bei denen Signale eines gemeinsamen Senders wegen der Vielfachreflexionen von Gebäuden und dergl. verschiedene Wege zu einem gemeinsamen Empfängrrort durchlaufen können. Insbesondere können derartige Vielfachreflexionen normalerweise ein komplizierte« dreidimensionales stehendes Wellenbild erzeugen. Wenn ein herkömmlicher beweglicher Empfänger schnell durch dieses komplizierte Wellenbild geht, kann die empfangene Signalstärke drastische Schwankungen zeigen. Bei Wellenlängen, die kürzer als etwa 1 m sind, können die Signalstärkenänderungen, die durch eine in einem schnellen Fahrzeug eingebaute bewegliche Einheit entstehen, beträchtliche tonfrequente Komponenten haben.

Das Problem, einen beweglichen Nachrichtenempfänger zu schaffen, der eine konstante Ausgangsleistung bei Vorhandensein von Vielfachreflexionen der obigen Art liefert, wurde durch die vorliegende Erfindung gelöst. Dieser Empfänger verwendet eine Antennenanordnung, die gleich der Antennenanordnung der oben erwähnten US-Patentschrift 1 500 476 getrennt wenigstens zwei zueinander senkrechte Feldkomponenten der ankommenden Funkwellen aufnimmt.

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Zusätzlich ist aber die Antenneminordnung der Erfindung so eingerichtet, daß sie außerdem auf eine dritte Feldkomponente der ankommenden Wellen anspricht, die senkrecht zu den beiden anderen Feldkomponenten liegt. Somit sind am Ausgang der Antenne gleichzeitig drei getrennte Ausgangssignale verfügbar, die den drei senkrecht zueinander liegenden Feldkomponenten entsprechen. Wenn z. H. die ankommenden Wellen linear polarisuite Felder sind, die durch ein dreidimensionales Cartesisches Koordinantensystem definiert sind, können die drei Komponenten, die durch diese Anordnung einzeln aufgenommen werden, mit E , II und H bezeichnet werden, wobei das Feld entlang der z-Achse polarisiert ist.

In diesem Fall ist die Energie an jedem Punkt des komplexen stehenden Wellenbild gegeben durch A Jb JeJ ² + C [h ² + D IhJ ²J , wobei A, B, C und D Konstanten sind. Erfindungsgemäß werden daher die drei Ausgangssignale, welche die oben genannten Feldkomponenten darstellen, getrennt festgestellt und quadriert und dann addiert, um ein zusammengesetztes Ausgangssignal zu bilden. Dies zusammengesetzte Signal ist proportional der gesamten Signalenergie des stehenden Wellenbilds, es ist daher für alle Orte des beweglichen Senders im Feld konstant.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Antennenanordnung einen in der Polarisationsrichtung angeordneten Dipol enthalten, um das elektrische Feld aufzunehmen, ferner zwei

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Rahmenantennen, um die magnetischen Feldkomponenten getrennt aufzunehmen. Die Rahmenantennen stehen senkrecht zueinander und zu der Dipolantenne, wobei alle Antennen dichtbeieinander angeordnet sind. Auf Wunsch kann die Dipolantenne weggelassen werden, wobei die Ausgangsklemmen der Rahmenantennen einzeln zu konjugierten Zweigen von ersten und zweiten Hybriden geführt werden können. Die drei Ausgangssignale werden abgenommen (1) vom Differenzzweig des anderen konjugierten Paars der ersten Hybride, (2) vom Differenzarm des anderen konjugierten Paars der zweiten Hybride und (3) vom Summenzweig des anderen konjugierten Paars einer der Hybriden.

Ein Vorteil dieser besonderen Lösung des obigen Problems besteht darin, daß zusätzliche Schaltungen leicht eingefügt werden können, um nur das stärkste der drei Ausgangskomponentensignale am Ausgang des Empfängers verfügbar zu machen. Dies Verfahren benutzt mit Vorteil die Tatsache, daß erwartet werden kann, daß die drei Ausgangssignale dieselbe Rauschenergie zum Ausgang beitragen, auch wenn die Signale selbst verschiedene relative Amplituden aufweisen. Es kann daher eine bedeutende Verbesserung des Gesamtsignal zu Rauschverhältnisses des Empfängers erzielt werden, in dem nur derjenige Ausgang gewählt wird, der das stärkste Signal liefert. Dies Verfahren der vorzugsweisen Auswahl ist besonders für Funksysteme geeignet, die Frequenzmodulation verwenden.

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Die Natur der Erfindend und ihre verschiedenen Vorteile ergeben . sich vollständiger aus der nachfolgenden eingehenden Erläuterung und der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt als Blockschema einen amplitudenmodulierten Sender , dessen Ausgangssignalenergie prportional der Amplitude des Modulationssignals ist;

Fig. 2 zeigt eine Empfangsantenne, bei der ein senkrechter Dipol und zwei hierzu einander senkrechte Rahmen verwendet werden, um sowohl das elektrische Feld als auch/ias magnetische Feld einer elektromagnetisehen Welle aufzunehmen.

Fig. 3 zeigt eine zweite Art von Empfangsantenne, die aus zwei Halbrahmen besteht, die auf einer Platte angebracht sind.

Fig. 4 zeigt ein Empfangssystem, das erfindungsgemäß verwendet werden kann, um die empfangen elektrischen und magnetischen Feldkomponenten festzustellen und zu kombinieren.

Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Frequenzmodulatfonsempfänger der Mittel enthält, um das Ausgangssignal aus demjenigen Komponentenkanal zu wählen, der das Signal mit der größten Amplitude empfängt.

Fig. 6 zeigt die Art und Weise, wie die an den Ausgängen der Diskriminatoren der Fig. 4 erscheihenden Spannungen sich mit der Frequenz ändert.

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Bei einem herkömmlichen amplitudenmodulierten Sender ist die Augenblicksamplitude der fortgepflanzten elektrischen (oder magnetischen) Feldkomponente der Amplitude des Modulationssignals direkt proportional. Dementsprechend ist die elektrische Energiedichte der gesendeten Welle proportional dem Quadrat des Modulationssignals. Wenn eine Empfangseinrichtung der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Art verwendet wird, um die Energiedichte und nicht eine einzelne Komponente des elektromagnetischen Signals festzystellen, müssen dem System Mittel hinzugefügt werden, um die Quadratwurzel des gesendeten oder des empfangenen Signals zu bilden, um eine lineare Wiedergabe zu erzielen. Zur Erläuterung enthält die als Blockschema in Fig. dargestellte Sendeanordnunf Mittel, um die Quadratwurzel des Modulationssignals zu bilden derart, daß die abgestrahlte Augenblicksenergie proportional der Augenblicksamplitude des modulierten Signals ist. Der in Fig. 1 dargestellte Sender besteht aus einer Hochfrequenzquelle 6, einem herkömmlichen Modulator 7 und einem linearen Verstärker 8, dessen Ausgang mit der Sendeantenne verbunden ist. Das modulierte Sprachsignal der Quelle 9 wird einer herkömmlichen "Quadratwurzeleinrichtung¹¹ 10 zugeführt, die eine Ausgangsspannung erzeugt, die der Quadratwurzel der Eingangsspannungen proportional ist. Der Ausgang der Quadratwurzeleinrichtung 10 ist mit dem Modulator 7 verbunden.

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Die in Fig. 2 dargestellte Antenne besteht aus einem senkrechten Element 12 und zwei rechteckigen Rahmen 14 und 16. Das senkrechte Element 12 kann benutzt werden, um die elektrische Feldkomponente eines vertikal polarisierten elektromagnetischen Signals aufzunehmen, es enthält am unteren Ende eine Zuführungsverbindung. Zur Erläuterung ist das senkrechte Element 12 auf der z-Achse eines dreidimensionalen Cartesischen Koordinatensystems angeordnet. Die untere "Kante" des unabgeschirmten Rahmens 16 befindet sich auf der x-Ac^se. Der Rahmen 14 liegt in einer zur x-Achse senkrechten Ebene, wobei seine untere Kante auf der y-Achse liegt. Beide Rahmen sind in der Mitte dieser unteren Kanten geöffnet, um Zuführungsverbindungen zu schaffen, die symmetrisch um die z-Achse angeordnet sind. Es entsteht eine Spannung die proportional der magnetischen Feldkomponente H ist an den Zuführungsleitern 20, die mit dem Rahmen 16 verbunden sind. Ingleicher Weise ist das Signal, das an den Leitern 22 entsteht, welche zur Schleife 14 führen, proportional der Stärke der magnetischen Feldkomponente H .

Somit induziert z.B. eine ankommende senkrecht polarisierte ebene Wellenfront, die entlang der x-Achse fortschreitet, Signale an den Klemmen 18 und 20, jedoch nicht an den Klemmen 22, da kein magnetisches Feld parallel zur Wellenfortpflanzungsrichtung vorhanden ist.

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Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Antennart die verwendet werden kann, um die elektrischen und magnetischen Felder einer fortschreitenden ebenen Welle festzustellen. Diese Antenne besteht aus zwei "Halbrahmen" 23 und 24 mit zwei Enden, deren Ebenen senkrecht zueinander und zur Ebene der leitenden Erdplatte 25 liegen, auf der sie aufgebaut sind. Die Rahmen können gleiche Größe aufweisen und an ihrem Schnittpunkt miteinander verbunden sein. Jeder Halbrahmen hat zwei Ausgänge. Die Ausgänge des Rahmen 23 sind durch Kabel mit zwei Eingängen einer herkömmlichen Ringhybride 26 verbunden. Die Ausgangsspannung H der Hybride 26 ist die Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen V₁ und V_. Die Summe dieser beiden Spannungen ist

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proportional der Feldstärke E und erscheint am anderen Ausgang der Hybride 26. In gleicher Weise ist eine Ringhybride 27 durch Kabel mit zwei Ausgängen des Halbrahmens 24 verbunden. Er liefert Spannungen, die proportional den Feldern H und E sind. Die beiden Spannungen E der Hybriden 26 und 27 sind im wesentlichen gleich»

Erfindungsgemäß kann eine Vielfalt von bekannten Antennen verwendet werden, um die elektrischen und magnetischen Feldkomponenten einer ankommenden Welle aufzunehmen. Wenn ferner zu erwarten ist, daß die ankommenden Signale die über verschiedene Wege zum Empfängerortlaufen, auch verschiedene Polarisationen aufweisen, können sechs anstelle der drei Feldaufnahmeantennen verwendet

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werden. Z.B. ermöglichen drei gerade "Draht"-Antennen, die in den drei Achsen ausgerichtet sind, dieffeststellung des elektrischen Feldes ohne Rücksicht auf seine Polarisation oder seine Fortpflanzungsrichtung. Ebenso können drei zueinander senkrechte Rahmen, die jeweils senkrecht zu den drei Achsen liegen, verwendet werden, um das gesamte magnetische Feld ohne Rücksicht auf seine Orientierung festzustellen.

Fig. 4 zeigt eine Empfangsanordnung zur Verstärkung, Feststellung λ

und Kombinierung von drei Komponentensignalen einer Antenne der in Fig. 2 oder 3 dargestellten Art. Die vom elektrischen Feld E erzeugte Komponente geht zum Eingang des HF-Empfängers 28, dessen Ausgangmit einem Eingang eines Mischers 29 verbunden ist. Das verstärkte Signal des Verstärkers 28 wird dem Signal eines örtlichen Oscillators 30 im Mischer 29 überlagert und geht zu einem Zwischenfrequenzverstärker 31, Die Hüllkurve des entstehenden Signals wird im quadratischen Detektor 32 festgestellt und quadriert. Die magnetische Feldkomponente H geht zu einer kleinen Gruppe von Einrichtungen, die aus einem HF-Verstärker 33, einem Mischer 34, einem ZF-Verstärker 35 und aus einem quadratischen Detektor 36 besteht. Di gleicher Weise geht die Komponente H zu einem HF-Verstärker 38, einem Mischer 39, einem ZF-Verstärker 40 und einem quadratischen Detektor 41. Die Ausgangsströme der herkömmlichen quadratischen Detektoren 32, 36 und gehen gemeinsam zu einem Eingang eines Basisbandverstärkers

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to

Das am Ausgang 43 des Basisbandverstärkers 42 erscheinende Signal ist direkt proportional der Größe der elektromagnetischen Energiedichte am Ort der Empfangsantenne. Dies wird offenbar, wenn man beachtet, daß die in Fig. 4 dargestellte Empfangseinrichtung Signale quadriert und addiert, die den drei einzelnen Feldkomponenten proportional sind.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung kann auch zur Schaffung eines verbesserten Empfangs eines frequenzmodulierten Signals verwendet werden. Wie im Fall des in Fig. 4 dargestellten Empfängers wird die in Fig. 5 dargestellte Anordnung uusamm en mit einer Antenne verwendet, die sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Feldkomponenten einer elektromagnetischen Welle aufzunehmen in der Lageist. Das Signal, das der elektrischen Feldstärke proportional ist, geht zum Eingang eines HF-Verstärkers 45, während die magnetischen Feldkomponenten H und H an die Eingänge der HF-

x y

Verstärker 46 und 47 angelegt werden. Jedes verstärkte Signal wird mit einem Signal eines örtlichen Oscillators* 49 überlagert. Zu diesem Zweck sind die Ausgänge der HF-Verstärker 45, 46 und 47 mit den Mischern 51, 52 und 53 verbunden. Die Zwischenfrequenzsignale der Mischer 51, 52 und 53 gehen zu den Zwischenfrequenzverstärker 55, 56 und 57.

Es werden drei herkömmliche symmetrische Diskriminatoren 72, 73 und 74 verwendet, um Frequenzänderungen der am Ausgang der Ver-

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starker 55-57 erscheinende Signale in Spannungsändemngen umzuwandeln. Jeder Diskriminator enthält zwei abgestimmte Kreise, von denen der eine entwas oberhalb der Mittelfrequenz f in Resonanz ist, während der andere etwas unterhalb der Mittelfrequenz in Resonanz ist.

Jeder Diskriminator erzeugt zwei HF-Ausgangssignale V und V, (Fig. 6), die an den beiden abgestimmten Kreisen erscheinen. Wie

in Fig. 6 gezeigt ist, ändert sich die Amplitude der Spannungen V ä

und V mit der Frequenz. (Es sei darauf hingewiesen, daß das die Kurve in Fig. 6 die V zeigt umgekehrt ist, um die Entstehung der

Differenzkurve V -V, zu erläutern.) Die Ausgangsleiter V der ab a

Diskriminatoren 72-74 gehen über die Detektordioden 76, 77 und 78 zur Klemme 81. In gleicher Weise sind die Ausgangsleiter V, der Diskriminatoren 72-74 über die Detektordioden 82, 83 und mit der Klemme 85 verbunden. Die zwischen den Klemmen 81 und erscheinende Spannung ist die Augenblicksamplitudendifferenzspannung V -V,, deren Änderung mit der Frequenz in Fig. 6 dargestellt ist.

Zur naturgetreuen Wiedergabe ist die Frequenzänderung auf den graden Teil dieser Differenzspannungskurve begrenzt. Die Differenzspannung geht zur Primärwicklung eines Ausgangstransformators 86.

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Zwischen der Klemme 81 und Erde liegen parallel ein Widerstand 90 und ein Kondensator 91. Diese Parallelkombination bildet zusammen mit den Dioden 76, 77 und 78 einen Detektor für drei Ausgänge V der Diskriminatoren. In gleicher Weise liegt zwi-

c*.

sehen der Klemme 85 und Erde eine Parallelkombination aus einem Widerstand 92 und einem Kondensator 95. Diese Parallelkombination hat zusammen mit den Dioden 84, 85 und 86 die gleiche Funktion für die Ausgänge V, der Diskriminatoren. Die Werte dieser Parallkombinationen sind so gewählt, daß geeignete automatische Vorspannungen entstehen. Die Größe dieser Spannungen ist so eingestellt, daß nur diejenigen Dioden, die mit den Ausgängen der beiden Diskriminatoren verbunden sind, welche die derhältnismäßig schwächeren Signale liefern, mit Differenz spannungen V -V, verbunden sind, welche ein negatives Vorzeichen haben, so

cL D

daß diese Dioden in Sperrichtung vorgespannt sind« Auf diese Weise ist nur die demodulierte Tonfrequenzkomponente des stärksten empfangenen Signals an die Primärwicklung des Transformators 86 angelegt. Die demodulierte Aus gangs spannung wird von der Sekundärwicklung abgenommen.

Ein Mittelabgriff auf der Primärwicklung 86 liefert eine automatische Verstärkungsregelungsspannung, die proportional der Summe der gleichgerichteten an die Klemmen 81 und 85 angelegten Ausgänge ist. Eine Verbindung dieses Mittelabgriffs mit der Regelklemme der

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ZF-Verstärker 59, 60 und 61 ergibt eine Gegenkopplung zur Änderung der Verstärkung der ZF-Verstärker entsprechend der $/$/y Amplitude der stärksten Signalkomponente,

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

/ \J Beweglicher Funknachrichtenempfänger der geeignet ist, um ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal zu liefern, wenn er an einem Punkt eines stehenden Wellenbildes erregt wird, das sich durch Vielfachreflexionen von Funkwellen eines gemeinsamen Senders ergibt, bestehend aus einem ersten Netzwerk (z. B. 12, 14, 28, 29, 31, 33-35) um einzeln wenigstens ein erstes und ein zweites Ausgangssignal zu liefern, welche die Größe der ersten und der zweiten zueinander senkrechten Feldkomponente der Welle darstellen, ferner aus einem zweiten Netzwerk um das erste und das zweite Aus gangs signal zu kombinieren, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Netzwerk weiterhin besteht aus

(a) einer ersten Schaltung (z.B. 16, 38-40) um ein drittes Ausgangssignal zu liefern, das die Größe einer dritten Feldkomponente der Welle darstellt, wobei die dritte Komponente sowohl senkrecht zur ersten als auch yenkrecht zur zweiten Feldkomponente steht und

(b) einer zweiten Schaltung (z.B. 32, 36, 41), die auf das erste, das zweite und das dritte Ausgangssignal anspricht, um ein viertes, ein fünftes und sechstes Signal zu liefern, die proportional dem Quadrat der Amplitude der ersten, der zweiten und der dritten Feldkompo-

- nente sind, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Netzwerk so eingerichtet ist, daß es das vierte, das fünfte und das sechste Signal addiert um ein zusammengesetztes Ausgangssignal zu bilden.

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2. Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Feldkomponente elektrische und magnetische Felder sind und bei dem das erste Netzwerk aus einer Dipolantenne besteht, die mit der ersten Feldkomponente ausgerichtet ist, ferner aus einer ersten Rahmenantenne, deren Achse mit der zweiten Feldkomponente ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung aus einer zweiten Rahmenantenne (16) besteht, die dicht bei dör Dipolantenne (12) und bei der ersten Rahmenantenne (14) liegt, wobei die Achse der zweiten Rahmenantenne senkrecht zu der ersten und der zweiten Feldkomponente ausgerichtet ist.

3, Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweitw Feldkomponente elektrische und magnetische Felder sind, und bei dem das erste Netzwerk aus einer dritten Rahmenantenne besteh deren Achse mit der zweiten Feldkomponente ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung aus einer vierten Rahmenantenne (23) besteht, die dicht bei der dritten Rahmenantenne (24) liegt, wobei die Achse der vierten Rahmenantenne senkrecht zur ersten und zur zweiten Feldkomponente ausgerichtet ist, ferner aus einer ersten und einer zweiten Hybride (26, 27) die jeweils mit den Ausgängen des dritten und des vierten Rahmens verbunden sind, wobei eine erste Reihe von konjugierten Zweigen der ersten Hybride mit den Klemmen des dritten Rahmens verbunden ist, während eine erste Reihe von konjugierten Zweigen der zweiten Hybride mit den Klemmen des vierten Rahmens verbunden ist.

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4, Empfänger nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Netzwerk aus einer dritten Schaltung (86) besteht, die wählbar mit einem der vierten, fünften oder sechsten Signale verbunden ist, ferner aus einer vierten Schaltung (72-76, 82-84, 90-91, 94-95), um das stärkste der letztgenannten Signale zum Anlegen die dritte Schaltung auszuwählen.

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