Antennentechnik

1.Einleitung

Durch die Einführung neuer Mobilfunknetze (GSM/PCN) hat in den letzten Jahren eine sprunghafte Entwicklung auf dem Gebiet des Mobilfunks eingesetzt. Weltweit ist die Zahl der Teilnehmer auf über 150 Millionen gestiegen. Bild 1 zeigt eine Übersicht der Mobilfunkdienste in Deutschland sowie der ver-wendeten Frequenzbereiche.

Durch den wachsenden Ausbau der Mobilfunknetze werden die Anforderungen an die verwendeten Antennen immer höher:

– streng definierte Abstrahlcharakteristik für eine möglichst genaue Funknetzplanung

– erhöhtes Augenmerk auf die Intermodulationsfestigkeit aufgrund der Abstrahlung

– vieler HF-Trägerfrequenzen über eine Antenne

– Doppelpolarisation

– elektrische Absenkung des Vertikaldiagramms

– unauffälliges Design

2. Theorie

Antennen sind Wandler zwischen einer leitungsgeführten Welle und einer Frei-raumwelle. Sie empfangen elektromagnetische Wellen und geben sie an einen Empfänger weiter bzw. strahlen elektromagnetische Wellen ab, die von einem Sender erzeugt wurden. Grundsätzlich sind die Eigenschaften von passiven Antennen für den Sende- und Empfangsfall gleich (Reziprozität). Vom Anschluß her erscheint eine Antenne als Zweipol, obwohl sie in Wirklichkeit ein Vierpol ist. Der nicht an einer HF-Leitung liegende Anschluß der Antenne ist mit der Umwelt verbunden und es ist daher stets zu bedenken, daß das Umfeld der Antenne einen starken Einfluß auf die Antenneneigenschaften haben kann (Bild 2).

Das Prinzip einer Antenne läßt sich durch Aufbiegen einer Zweidrahtleitung veranschaulichen (Bild 3):

a) Ein Sender schickt Hochfrequenz-Wellen in eine Zweidrahtleitung. Zwischen den Drähten bildet sich ein pulsierendes elektrisches Feld, das sich von der Leitung jedoch nicht lösen kann.

b) b) Das Leitungsende wird auseinandergebogen. Die Feldlinien werden länger und stehen im rech-ten Winkel zu den Drähten.

c) Die Drähte sind im rechten Winkel aufgebogen. Die Feldlinien haben eine Länge erreicht, die eine Ablösung von den Drähten erlaubt. Das Gebilde strahlt eine elektromagnetische Welle ab, wobei die Länge der beiden senkrechtenDrahtstücke der halben Wellenlänge entspricht.

Diese vereinfachte Darstellung beschreibt den Grundbaustein fast jeder Antenne, den l/2-Dipol. Neben einem elektrischen Feld (E), daß durch ein Spannungspotential (U) gebildet wird, entsteht auch ein magnetisches Feld (H), das auf einem Strom (I) basiert (Bild 4). Die Amplitudenverteilungen der Felder entsprechen der Spannungs- bzw. Stromverteilung auf einem Dipol. Wellenablösung vom Dipol bzw. Wellen-ausbreitung erfolgen durch permanente Umwandlung von elek-trischer in magnetische Energie und umgekehrt.Die dabei entstehenden elektrischen und magnetischen Felder stehen orthogonal zur

Ausbreitungsrichtung (Bild 5).

3.Grundbegriffe

a) Polarisation:

Als Polaristion wird die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldstärkevektors bezeichnet. Mobilfunk: vertikale Polarisation Rundfunk: horizontale Polarisation

b) Richtcharakteristik:

Die Abstrahlcharakteristik einer Antenne wird in den meisten Fällen durch Schnitte durch das horizontale und vertikale Strahlungsdiagramm beschrieben. Im Mobilfunk (vertikale Polarisation) entspricht das der magnetischen Feldkomponente (H-Ebene) und der elektrischen Feldkomponente (E-Ebene). Für komplexe Antennen wird oftmals auch eine räumliche Darstellung gewählt.

c) Halbwertsbreite:

Dieser Begriff steht für den Öffnungswinkel der Antenne. Er wird gebildet durch die Punkte im Horizontal- und Vertikaldiagramm, bei denen die Leistung um die Hälfte abgesunken ist. Diese Punkte werden daher auch 3 dB-Punkte genannt.

Die Dämpfung in dB wird mit der Formel a = 10 log(P₁/P₂) berechnet. Die entsprechenden Leistungen erhält man durch Entlogarithmieren.

Hat man nur mehr die Hälfte der Leistung, so errechnet sich für a = - 3dB.

d) Antennengewinn:

Durch den Antennengewinn wird in Wirklichkeit nicht Energie gewonnen. Während eine Antenne ohne Gewinn die Energie in alle Richtungen verteilt, konzentriert eine Gewinnantenne die Energie auf bestimmte Winkelsegmente des Raumes. Bezugsgröße für die Gewinnangabe ist meist der l/2-Dipol. Bei höheren Frequenzen kann der Gewinn auf den isotropen Strahler bezogen sein. Dies ist eine in der Realität nicht existierende Antenne, die auch in der E-Ebene ein Rundstrahldiagramm besitzt.

Umrechnung:

Gewinn (bez. auf isotropen Strahler dBi) = Gewinn (bez. auf l/2-Dipol dBd) + 2,15 dB

Der Gewinn einer Antenne ist mit der Strahlungscharakteristik der Antenne verknüpft. Aus den Halbwertsbreiten der Strahlungsdiagramme der horizontalen und vertikalen Ebene läßt sich der Gewinn

grob abschätzen (Bild 6).

4. Feststationsantennen

a) Rundstrahler

Die „klassischen“ Rundstrahler sind die Groundplane-Antenne und die Sperrtopf-Antenne (Bild 7). Die Bezeichnungen deuten an, wie die Antennen vom Mast entkoppelt werden. In einem Fall wird durch die drei Gegengewichtsstäbe eine leitende Ebene nachgebildet, im anderen erreicht man die Entkopplung mit einem l/4-Sperrtopf. Letzterer funktioniert jedoch nur schmalbandig, so daß z.B. zur

Abdeckung des 2-m-Bandes drei Ausführungen benötigt werden. Die Groundplane-Antenne dagegen ist breitbandig über den gesamten Frequenzbereich.

b) Rundstrahler seitlich am Mast

Freie Mastspitzen, auf denen obige Antennen montiert werden können, stehen nicht immer zur Verfügung. Es wird sich daher nicht vermeiden lassen, Rundstrahler auch seitlich an den Mast zu setzen, wodurch das Horizontaldiagramm jedoch stark verändert wird. Der Abstand zum Mast hat einen entscheidenden Einfluß auf die Strahlungscharakteristik. Bei einem Abstand Strahler-Mast von l/4 erhält man eine Abstrahlung in Vorzugsrichtung, bei l/2 ein Zweiseitendiagramm (siehe Bild 8).

Allein durch die Wahl des richtigen Abstandes kann somit das Strahlungsdiagramm dem Versorgungsgebiet angeglichen werden. Für diese Montageart braucht man für Groundplane- und Sperrtopf-Antennen einen entsprechenden Ausleger oder man benutzt einen Dipol, dessen Befestigung bereits dafür ausgelegt ist.

c) Gewinnrundstrahler

Die bisher besprochenen l/2-Antennen strahlen bei Montage an der Mastspitze nach allen Azimuth-Richtungen die gleiche Leistung ab (Bild 7). Die vertikale Halbwerts-breite beträgt 78 Grad. Man erkennt, daß sehr viel Energie nach oben und unten abgestrahlt wird, und damit für die gewünschte Richtung in der horizontale Ebene verloren ist. Durch gleichphasiges Zusammenschalten von einzelnen, übereinander angeordneten Dipolen in einem Mittenabstand von einer Wellenlänge läßt sich die Halbwertsbreite verkleinern (Bild 9). Dadurch erhöht sich die abgestrahlte Energie in Richtung der Horizontalen. Diesen Zuwachs nennt man Antennengewinn, der nichts anderes bedeutet, als die Abstrahlung in bestimmte Richtungen zu bün-deln.

Eine Verdopplung der Dipolanzahl bewirkt jeweils einen Gewinnzuwachs von 3 dB

(Leistungsverdopplung). Bild 10 zeigt ein Beispiel einer Gewinnantenne aus dem GSM-Bereich, bei der mehrere Dipole in einem gemeinsamen Fiberglasrohr angeordnet sind.

d) Antennenkombinationen

In der Antennentechnik werden oft Wünsche, die mit einer Einzelantenne nicht realisierbar sind, durch eine Antennenkombination verwirklicht. Diese Kombination besteht aus mehreren Einzelantennen und einem Speisenetzwerk (Leistungsver-teiler + Verbindungskabel). Häufig wird eine Kombination aufge-baut, um mehr Bündelung und Gewinn zu erzeugen. Es werden auch mehrere Antennen verwendet, um größere Möglichkeiten zur Formung von horizontalen Strahlungscharakteristiken zu erhalten. Durch Variation der Antennen-Anzahl, der Azimuthrichtungen, des Abstands, der Phase und der Leistungsaufteilung lassen sich die verschieden-artigsten Richtcharakteristiken erzielen. In Bild 11 sind drei einfache Beispiele dargestellt. Auch die Erzeugung eines rundstrahlähnlichen Diagramms ist möglich. Die notwendige Anzahl an Antennen steigt mit dem Durchmesser des Turms. Bei einem Durchmesser von ca. 1,5 m sind bei 900 MHz bereits 8 Felder nötig. Die Rundstrahlung ergibt sich nicht kontinuierlich, sondern bei jeder Felderanzahl existieren ein oder zwei optimale Montagedurchmesser der Antennen. Die B

erechnung solcher Strahlungsdiagramme erfolgt durch Vektoraddition der Einzel-antennen nach Betrag und Phase. Während der Betrag als Einzelstrahlungs-diagramm auf einem Datenblatt angegeben ist, so ist die Phase eigentlich nur dem Antennenhersteller bekannt. Sie ist jedoch für die Berechnung unerläßlich, eine überschlägige Abschätzung nur mit dem Betrag kann zu völlig falschen

Ergebnissen führen.