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Antennen

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Grundlagen

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Im PyroNeo-Projekt kommen als zentrales Bauteil Funktransceiver im 868 MHz ISM-Band zum Einsatz, deren Performance stark von den verwendeten Antennen und deren Lage und Standort abhängt. Im folgenden sollen grundsätzliche Hinweise zu den angebotenen Antennen und ihrer Funktion gegeben und erläutert werden.

Zuerst eine Erklärung der so oft verwendeten logarithmischen Größe dB die in der Antennen- und Funktechnik sehr häufig eingesetzt wird:

Umrechnungstabelle von Energie, Feldgröße und Dezibel (Quelle Wikipedia)

Energie Feldgrösse dB
10000 100 40 dB
100 10 20 dB
10 ≈ 3,16 10 dB
≈ 4 ≈ 2 6 dB
≈ 2 ≈ 1,41 3 dB
≈ 1,26 ≈ 1,12 1 dB
1 1 0 dB
≈ 0,79 ≈ 0,89 −1 dB
≈ 0,5 ≈ 0,71 −3 dB
≈ 0,25 ≈ 0,5 −6 dB

Das heißt also das 3dB eine Verdopplung der Sende-/Empfangsleistung bedeuten, 6dB eine Vervierfachung, 10dB eine Verzehnfachung usw. Dabei bezieht sich die üblicherweise verwendete Angabe dBm auf die Sendeleistung 1 mW (1 dBm = 1 mW). Dementsprechend steht eine Ausgangsleistung von 10 dBm für 10 mW usw.

Dezibel

Dezibel (dB) bezeichnet ein Verhältnisgröße zwischen einem tatsächlichen Wert und einem Referenzwert. Dabei steht die Vorsilbe "dezi" für "zehntel". Ein dB ist also ein zehntel Bel. Daher kommt auch die etwas sonderlich anmutende Berechnung des Verhältnisses zwischen Referenz- und tatsächlicher Größe als

Tatsächlicher Wert = Referenzwert * 10 ^ (deziBel / 10) bzw. Tatsächlicher Wert = Referenzwert * 10 ^ Bel

Es wäre z.B. auch möglich, eine Länge in Dezibel anzugeben mit dem Referenzwert 1m. 10m könnte man dann z.B. ausdrücken als 10 dB * 1m = 1m * 10 ^ (10 / 10) = 1m * 10 ^ 1 = 10m.


dB, dBm, dBi

Da das Dezibel nur ein Verhältnis zwischen zwei Größen angibt, legt man für oft benötigte Größe bestimmte Zusätze fest. So steht dBm zum Beispiel für die Bezugsgröße 1 Milliwatt (1 mW). Auch in anderen Bereichen als der Funktechnik findet das Maß Dezibel Verwendung, z.B. für die Angabe von Schalldruckpegeln.

Die Angabe dBi bezieht sich hingegen auf den sogenannten Antennengewinn. Eine Antenne kann - als rein passives Bauteil - natürlich keine zusätzliche Energie bereit stellen. Eine Antenne bündelt daher nur die sonst kugelförmig abgestrahlte Leistung in bestimmte Richtungen. Die kugelförmig abgestrahlte Leistung ist dabei als Referenzgröße definiert, so dass die Angabe des Antennengewinns in dBi eine Aussage darüber gibt, wie sehr das Signal in die hauptsächliche Wirkungsrichtung der Antenne konzentriert wird. Solch einen Kugelstrahler bezeichnet man auch als Isotopenstrahler (daher die Bezeichnung dBi).


Vor- & Nachteile der logarithmischen Darstellung

Der Vorteil dieser (von der Umrechnung) recht umständlichen Angabe in dB zeigt sich dann, wenn man z.B. die Wirkung einer Antenne berechnen möchte. Solch eine Antenne verbessert oder verschlechtert den Empfang grundsätzlich immer im Verhältnis zur vorhandenen Energie. Eine schlechte Antenne wirkt sich absolut auf eine hohe Leistung also stärker aus, als auf eine kleine Leistung. Da diese Wirkweise bei der Berechnung über die absolute Energie also je nach vorhandener Energie unterscheidet (man müsste z.B. bei mehreren Dämpfungen nacheinander jedes mal die verbleibende Leistung bestimmen), benutzt man dafür logarithmische Maße. Dies hat den Vorteil, dass sich die Berechnung nun auf simples addieren oder subtrahieren beschränkt.

Beispiel: Ein Sender strahlt 500 mW Leistung ab. Das sind umgerechnet ungefähr 27 dBm. Es wird an den Sender ein Kabel mit einer Dämpfung von -1,5 dB angeschlossen sowie eine Antenne, die (in die Wunschrichtung) einen Gewinn von 3 dB aufweist. Wie hoch ist die abgestrahlte Leistung?

Die Rechnung beschränkt sich nun auf das simple addieren der Werte aller beteiligten Komponenten: 27 - 1,5 + 3 = 28,5 dBm. 28,5 dBm entsprechen ungefähr einer abgestrahlten Leistung von 700 mW.

Fresnel-Zone

Fresnelzone, Quelle: wlanantennas.com

Ein weiterer, wichtiger Einflussfaktor bei Funkantennen ist die so genannte Fresnel-Zone. In ihrem Bereich wird der Hauptteil der Funkenergie übertragen, sie sollte daher möglicht ungestört und frei von Hindernissen sein. Befinden sich hier Hindernisse, wird die Übertragung zum Teil stark gedämpft. Dies kann soweit gehen, dass keine Signalübertragung mehr möglich ist (wobei der Empfänger über Reflektionen auch bei verdeckter Fresnelzone noch erreicht werden kann). Hieraus ergibt sich idealerweise eine Sichtverbindung zwischen den Antennen mit genügendem Abstand zum Boden, um eine möglichst ungedämpfte Übertragung zu gewährleisten. Erschwerend bei zu kleinem Abstand zum Boden kommt noch die Energieabsorbtion durch die feuchte und damit leitfähige Erde, Grashalme usw. hinzu.

EIRP

Die äquivalente isotrope Sendeleistung (engl. equivalent isotropically radiated power, EIRP) ist das Produkt der eingespeisten Leistung in eine Sendeantenne, multipliziert mit deren Antennengewinn gemessen in dBi (relativ zu einem Isotropstrahler). Im von PyroNeo verwendeten 868MHz-ISM-Band darf im Kanal 1 und 19 die EIRP eine Leistung von 500mW nicht überschreiten! Das ist besonders beim Einsatz von "Gewinnantennen" zu beachten. In anderen Kanälen liegt die erlaubte Sendeleistung noch deutlich niedriger.

Antennen

Je nach Antenne ergeben sich verschiedene Vor- und Nachteile. Eine omnidirektional abstrahlende Antenne erreicht in alle Richtungen gleichermaßen gut einen Empfänger, deckt dafür nur eine relativ geringe Strecke ab. Eine Richtantenne mit entsprechendem Gewinn erreicht auch weiter entfernte Empfänger, deckt dafür nicht alle Richtungen gut ab.

Rechtlicher Rahmen

Die gesetzlichen Vorschriften beziehen sich grundsätzlich auf die maximale in eine Richtung abgegebene Leistung, also auf die effektiv abgestrahlte Leistung (EIRP). In Senderichtung dürfen die maximal erlaubten 500 mW also auch mit einer besseren Antenne nicht überschritten werden, so dass eine Antenne mit Richtwirkung auf den ersten Blick vielleicht überflüssig erscheint. Jedoch wirkt eine solche Antenne nicht nur in der Senderichtung als "Leistungs-Konzentrator", sondern erhöht in Empfangsrichtung ebenfalls die Empfindlichkeit um den angegebenen Wert. Da es für die Empfangsrichtung keinerlei Vorschriften gibt (es wird ja kein Signal abgestrahlt), kann auf diese Weise der Rückkanal stabilisiert werden, ohne die gesetzlichen Vorschriften zu verletzen. In diesem Fall muss dann jedoch darauf geachtet werden, dass der entsprechende Transceiver in der Senderichtung entsprechend mit reduzierter Leistung betrieben wird, damit die gesetzlich festgelegten Grenzwerte nicht überschritten werden.

Standardantenne

Systemantenne 0 dBi - 1:1-Leistung

Die normalerweise eingesetzte "Standardantenne" ist ein angepasster Halbwellendipol (Lambda-Halbe-Antenne auch L/2 geschrieben). Dieser benötigt, im Gegensatz zu den weit verbreiteten L/4 Antennen, kein "Gegengewicht" also die oft eingesetzte Blechplatte unter der Antenne. Somit lässt sie sich recht universell verwenden. Sowohl direkt auf den Geräten als auch abgesetzt (mittels Antennenkabel) bietet diese Antenne eine gute Performance.

Diese Antennen verhalten sich fast wie ein Kugelstrahler (Isotropstrahler) das heißt die Funkwellen werden kugelförmig in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt (und auch empfangen). Auf Grund ihrer fehlenden Richtwirkung und den internen Verlusten haben sie aber keinen "Gewinn" gegenüber einem Norm-Isotropstrahler und werden demzufolge mit ca. 0 dBi bewertet.
Nur mit diesen "0 dBi-Antennen" darf auf Grund der gesetztlichen Regelungen die volle Sendeleistung von 500mW bei den PyroNeo-Geräten zu Einsatz kommen.

Knickantenne

Knickantenne -0,5 dBi - 90% Leistung

Die "Knickantenne" hat die gleichen Eigenschaften wie die Standardantenne, lässt sich aber im unteren Bereich abknicken. Leider ist sie im Knickbereich nicht wasserdicht so dass hier Feuchtigkeit in den Steckverbinder eindringen kann. Der minimal schlechtere Gewinn entsteht durch die längere interne Zuleitung zum Strahler, die ja erst einmal am Gelenk vorbeigeführt werden muss.
Auch mit diesen "0 dBi-Antennen" darf auf Grund gesetztlicher Regelungen die volle Sendeleistung von 500mW bei den Geräten zu Einsatz kommen.

Richtantenne

Richtantenne mit 9 dBi Gewinn - 8-fache Leistung

Die hier gezeigte Planarantenne hat durch ihre Richtwirkung einen Gewinn von ca. 9dBi, erzeugt also nahezu eine Verzehnfachung der Strahlungsleistung in Wirkrichtung. Die Antenne hat einen horizontalen und vertikalen Öffnungswinkel von ca. 60°, sie deckt also nur ein Segment aus der normalerweise kugelförmigen Antennencharakteristik ab. Sie "faltet" sozusagen die Energie die allseitig abgestrahlt wird in den 60° großen Bereich. Dadurch steigt hier natürlich die Energiedichte, die Antenne erzeugt einen Gewinn. Alle anderen Richtungen werden hierbei aber nur stark gedämpft versorgt. Hier lässt sich also nichts oder nur sehr wenig empfangen. Diese Eigenschaft lässt sich jedoch auch als Vorteil nutzen: Da Signale außerhalb des Öffnungsbereichs nicht bzw. nur stark gedämpft empfangen werden, lassen sich Störsignale aus diesen Richtungen "ausblenden". So kann z.B. ein störender Sender aus der entgegengesetzten Richtung damit gedämpft werden, während Signale aus der gewünschten Richtung (Abbrenner) verstärkt empfangen werden. Diese Antenne darf aufgrund gesetzlicher Bestimmungen nicht mit der maximalen Ausgangsleistung (500mW) der Geräte betrieben werden. Die Leistung muss also am Gerät reduziert werden.

Rundstrahl-Gewinn-Antenne

Rundstrahlantenne mit 7,5 dBi Gewinn - 5,5-fache Leistung

Die hier gezeigte Rundstrahl-Gewinn-Antenne ist auch eine "Richtantenne". Sie strahlt immer noch rund herum ab (360° horizontaler Öffnungswinkel) so dass allseitig gesendet und empfangen wird, allerdings "faltet" sie die Kugel zu einer "Scheibe" mit ca. 30° vertikalem Öffnungswinkel. Es erfolgt also nur eine verminderte Abstrahlung nach oben und unten, dafür sind die Ausstrahlungen rundherum stärker. Die nach oben und unten abgestrahlte Energie wird also in die Ebene "gefaltet" was hier wieder die Energiedichte erhöht.

Durch ihre "Richtwirkung" erzielt diese Antenne einen Gewinn von ca. 7 dBi was in etwa einer Verfünffachung der Strahlungsleistung bedeutet. Diese Antenne darf daher aufgrund der gesetzlicher Bestimmungen nicht mit der maximalen Ausgangsleistung (500 mW) der Geräte betrieben werden. Die Leistung muss also am Gerät reduziert werden.

Antennenkabel

Antennenkabel
"Systemantenne" 0 dBi, hochgesetzt

Das Antennenkabel dient der elektrischen Verbindung von Antenne und Gerät. Es sollte möglichst keine zusätzlichen Verluste bewirken, also die gesamte zur Verfügung gestellte Funkenergie zur Antenne transportieren. Da jedes Kabel aber zwangsläufig einen gewissen Verlust erzeugt, sollten Antennenkabel so kurz wie möglich gehalten werden.

Die zur Verfügung stehenden Antennenkabel haben einen Verlust von ca. 1 dB pro Meter, die leider viel teureren "super low loss Kabel" von ca. 0,3 dB pro Meter.

Im rechten Bild wird das einfache Hochsetzen einer "Standardantenne" mittels eines Antennenkabels gezeigt, nur 2m Höhe bewirken eine dramatische Übertragungsverbesserung.

Reichweite

Dämpfungswerte Kanal 1 (Breitband) mit 500mW bei 450m Abstand
auf einer trockenen Wiese ohne Hindernisse

0dBi Systemantenne
direkt verbunden
Modul steht
auf dem Boden
0dBi Systematenne
am Modul
mit 3m Kabel
auf 2m Höhe
0dBi Systemantenne
direkt am Commander,
Commander steht
auf dem Boden
-92 bis -99dBm -85 bis -92dBm
0dBi Systemantenne
am Commander
mit 3m Kabel
auf 2m Höhe
-86 bis -92dBm -67 bis -73dBm
7dBi Antenne
am Commander
mit 3m Kabel
auf 2m Höhe
-78 bis -86dBm -62 bis -63dBm

Eine identische Messreihe im langsamen Schmalbandkanal 19 bringt nahezu identische Messwerte. Allerdings reicht die Grenzempfindlichkeit des Empfängers hier bis ca. -105dBm bevor die ersten Verbindungsabbrüche auftreten. Die schnelle Breitbandverbindung zeigt bereits ab -100dBm Verbindungsabbrüche.

Ein erweiterter Reichweitentest im Kanal 1 mit Systemantennen auf jeweils ca.2m Höhe wurde bei etwa 1000m mit einer Signalstärke von -71 bis -78dBm mangels größerer Wiese abgebrochen. Stehen beide Geräte mit direkt aufgeschraubten Antennen auf dem Boden, ist bei ca. 500m Schluss.

Regen und Schnee sowie in der Fresnelzone befindlichen Hindernisse können die Übertragung stark behindern, auch zueinander nicht exakt gleich (senkrecht) ausgerichtete Antennen (Polarisation) beeinträchtigen die Übertragung. Eine um 90° falsch ausgerichtete Antenne erzeugt z.B. eine zusätzliche Dämpfung von ca. 30dB.

Fazit

Für eine möglichst große Reichweite ist bei der Antennenposition auf eine möglichst große Höhe über Grund zu achten. Die Antennen sollten möglichst ohne Hindernisse in "Sichtkontakt" zueinander stehen. Alle Antennen sollten möglichst senkrecht (zueinander gleich polarisiert) stehen. Die Verwendung der langsamen Schmalbandkanäle schafft ca. 5-6dB mehr Empfangsreserve. Und nicht zuletzt sollte jeweils mit der höchsten gesetzlich zugelassenen abgestrahlten Sendeleistung (EIRP) gearbeitet werden.