Neu in Version 1.7
Bisher hatte ich mich vor allem um eine gute Simulation für
geringe
Höhen bemüht, wodurch die vertikalen Richtdiagramme nur
direkt
über dem Boden aussagekräftig waren. Wenn man aber schon
vertikale
Richtdiagramme anbietet, dann sollten die auch für die gesamte
angezeigte
Höhe stimmig sein.
Das Problem war bisher, dass ich die Einfallswinkelabhängigkeit
der Bodenreflektion ignorierte. Für tief fliegende Modelle (bei
denen
die Bodenwelle vom Erdboden fast streifend reflektiert wird) macht das
keinen Unterschied, aber je höher das Modell fliegt, und je
steiler
also die Bodenwelle von der Erdoberfläche reflektiert wird, um so
weniger verhält sich der Erdboden wie ein Spiegel. Die Stärke
des reflektierten Signals schwankt stark, und auch die
Phasenverschiebung,
die das Signal bei der Reflektion erfährt, variiert.
Beides habe ich in der Version 1.7 berücksichtigt.
Ich habe auf Initiative von Dietrich Meissner ein kleines Programm geschrieben, das die Empfängerspannung am Modellempfängereingang errechnet und grafisch darstellt.
Natürlich geht das Programm von idealisierten Bedingungen aus:
Das Programm berechnet für jeden Punkt vor der Antenne bis in 1000 m Entfernung und bis in 600 m Höhe die Stärke des direkten Signals und die Stärke des indirekten Signals (Erdreflektion) und bestimmt die Summe beider Signale unter Berücksichtigung der durch die Laufzeitunterschiede auftretenden Phasenverschiebung. Näheres findet man auf der Homepage von Dietrich Meissner.
Die Grafik stellt einen 1000 m langen und 600 m hohen Abschnitt vor der Sendeantenne dar. Die Sendeantenne befindet sich am linken Rand und ist ein Viertelwellenstrahler. Beim Programmstart ist die Antenne 30° zum Modell geneigt, dieser Winkel kann aber im Bereich von -100° bis zu +100° verändert werden. Die Richtung der Antennenachse wird durch einen blauen Strich auf der Grafik dargestellt.
In den rot-schwarzen Bereichen ist die Empfängerspannung über 10µV, der Empfang ist also normalerweise möglich. Jeder rot-schwarz-Streifen steht für jeweils zusätzliche 100µV.
Bereiche mit weniger als 10µV (in denen also viele moderne Empfänger das Signal nicht mehr sicher empfangen können) sind weiß dargestellt. In gelben Bereichen beträgt die Spannung unter 2µV, was auch hochwertige Empfänger lahmlegt.
Wenn man den Mauskursor auf der Grafik bewegt, wird rechts die Mausposition und die dort herrschende Empfängerspannung angezeigt.
Man erkennt in diesem Bild sehr gut die Auswirkung des Antennenwinkels. Besonders bei niedrig fliegenden Modellen ist es verheerend, wenn man mit der Antenne auf das Modell zielt. Ist die Antenne dagegen weniger als 40° aus der Senkrechten geneigt, ist das Ergebnis nicht so schlimm.
Die Senderhöhe hat einen sehr hohen Einfluss. Das folgende
Beispiel zeigt, dass unter bestimmten Bedingungen entlang der
Antennenachse
ein Maximum auftreten kann, wären etwas darunter ein Minimum
entsteht
- aber wer schwebt mit seiner Fernsteuerung schon in 3 m Höhe.
Dieser Effekt ist übrigens extrem Antennenwinkelabhängig.
Der Einfluss der Bodenreflektion ist deshalb von so großer Bedeutung, da bei der Reflektion ein Phasensprung von 180° auftreten kann. Das bedeutet, dass das reflektierte Signal das das genaue Gegenstück zum direkten Sendesignal ist. Treffen in der Empfängerantenne beide Signale zusammen, dann können sie sich nun zum großen Teil auslöschen.
Vertikale Polarisation
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Reflektion von Wellen ist eigentlich immer ein Empfang der
Wellen mit
nachfolgender Wiederabstrahlung. Man kann sich also vorstellen, auf dem
Erdboden läge eine Antenne. Sie empfängt die eintreffenden
Wellen,
schwingt mit der Frequenz und strahlt die Welle wieder ab.
Natürlich
strahlt sie sie phasengleich wieder ab, was aber nicht bedeutet, das
die
reflektierte Welle phasengleich zur einfallenden Welle ist.
Im linken Bild sieht man die stark vereinfachte Darstellung der Reflektion einer 'vertikal' polarisierten Welle. Wie man leicht sieht, ist das Echo auf den Kopf gestellt, erhielt also einen Phasensprung von 180°. Dabei darf man 'vertikal' nicht wörtlich nehmen. Wichtig ist dabei lediglich, das die Polarisation der Welle in der Bildebene liegt und nicht (sozusagen) aus dem Bildschirm herausschwingt. Dieses Schema trifft also immer zu, solange man die Senderantenne nur vor oder zurück biegt, ohne sie zur Seite zu schwenken. |
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Allerdings gilt diese Phasendehung um 180° nicht immer sondern nur bei recht flachem Einfall auf die reflektierende Fläche. Bei steilem Einfallswinkel (unterhalb des Brewsterwinkels) tritt kein Phasensprung auf. Auch die Stärke des reflektierten Signals hängt sehr stark vom Einfallswinkel der Welle auf den Boden ab. Bei steilem Einfall wird weniger als die Hälfte reflektiert, bei sehr flachem Einfall dagegen fast das gesamte Signal. Beim Brewsterwinkel (dazwischen) findet gar keine Reflektion statt. Die Grafik (links) zeigt die in meinem Programm verwendeten Funktionen. Je nach Bodenverhältnissen, weichen die realen Funktionen etwas davon ab, im Prinzip sind die Abweichungen aber nicht groß. |
Horizontale Polarisation
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Horizontal polarisierte Wellen werden dagegen nicht in der Phase gedreht. Solche Wellen würden aber nur von einer RC-Antenne abgestrahlt werden, die seitlich von der Fernsteuerung nach rechts oder links wegläuft. |
In der realen Welt der schief gehaltenen Antennen ist die Welle aus vertikaler und horizontaler Komponente zusammengesetzt, die unterschiedlich reflektiert werden. Dabei ist bei der üblichen Haltung des Modellpiloten der vertikale Anteil aber um Dimensionen größer als der horizontale.
Die Empfängerantenne ist polarisiert und bewegt sich im Raum, wobei die Polarisation sich ständig ändert.
Die RC-Sendeantenne ist kein in der Luft frei schwebender l/4-Strahler ist, sondern durch die Fernsteuerung und den Piloten beeinflusst.
Je weiter man die Antenne aus der Vertikalen schwenkt, um so stärker werden Wechselwirkungen zwischen Boden und Antenne, die zu Fehlanpassungen zwischen Sender und Antenne führen.
Gebäude, Bäume und vor allen metallische Zäune auf dem Flugfeld beeinflussen die Ausbreitung der Wellen.
Software:
Berücksichtigung folgender Effekte:
V1.0 (29.08.2004)
Urversion.
V1.2 (30.08.2004)
- Berücksichtigung des Antennenstrahlungsdiagramms
- Berücksichtigung der Antennenachse
- Berücksichtigung des 27-MHz- und des 40-MHz-Bandes
V1.4 (31.08.2004)
- Antennenachse in Grafik eingezeichnet
- Bugfix
- drei Abbildungsmaßstäbe: 1km, 10km, 25km
V1.7 (13.10.2004)
- Berücksichtigen der einfallswinkelabhängigen Reflektion
am Boden