Antennenengineering heute Eine gesamtheitliche System-Betrachtung von Heinz Bolli, HB9KOF

Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

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Antennenengineering heute

Eine gesamtheitliche System-Betrachtung von

Heinz Bolli, HB9KOFHam Radio Friedrichshafen

26. Juni 2010Bild: DO1MDE


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Thematische Gliederung

3 Was heisst Engineering?

4 Murphys Gesetze

5 Aktuelle Problemstellung

6 Zielsetzungen

7 Kunden-Aktivität

9 Man hatte also

10 Was lief falsch?

11 Erfolgsfaktoren für sichere Funkverbindungen

12 Die Funkverbindung

14 Ausbreitungswege im HF-Bereich

19 Bodenwelle oder Raumwelle?

20 Frequenzwahl für NVIS-Verbindungen

21Übertragungswege und Streckendämpfung

23 SWTA-Mess- und Simulationsresultate

35 Übersicht Gesamtsystem Ist

36 Systembeurteilung

37 Beurteilung SWTA-Antenne

39 Bestehendes System - Fazit

40 Die „richtige“ NVIS-Antenne

42 Übersicht Gesamtsystem SRA

43 System mit SRA – Fazit

44 Ende


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Was heisst Engineering?

• Engineering ist ein Prozess.

• Unter Engineering versteht man: Die gesamtheitliche Betrachtung einer Problemstellung unter Berücksichtigung aller Aspekte, welche sich im konkreten Fall in irgend einer Weise auswirken können.

• Gesamtheitliches Denken bedeutet Systemdenken.

• Systemdenken heisst Denken in Prozessen, nicht in Zuständen.

• In Systemen finden sich Subsysteme, Subsysteme bestehen aus Komponenten.

• In Systemen findet Zusammenwirken (oder eben Prozesse) statt.

• Gutes Engineering führt zu optimalen Prozessen durch bestmögliches Zusammenwirken aller Systemelemente und damit zu bestmöglichen Lösungen.

• Diese Aussage gilt in funktionaler wie oekonomischer Sicht.

• Mangelhaftes Engineering zeitigt oft fatale Folgen Murphys Gesetze.


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• Um ein Darlehen zu bekommen, muss man erst beweisen, dass man keines braucht...

• Alle Verallgemeinerungen sind falsch, auch diese…

• Man hat nie Zeit etwas richtig zu machen, aber immer genug, um es nochmals zu tun…

• Wenn es mehrere Möglichkeiten gibt, eine Aufgabe zu erledigen und eine davon in einer Katastrophe endet oder sonstwie unerwünschte Konsequenzen nach sich zieht, dann wird es jemand genau diese Möglichkeit wählen.

• Wenn etwas schiefgehen kann, dann geht es auch schief…

Murphys Gesetze – Murphys Law

Josef Aloysius Murphy, 1918 - 1990


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Aktuelle Problemstellung

Kunde

• Eine Europäische Organisation.

Seine Tätigkeit

• Hilfs- und Rettungseinsätze bei Katastrophen jeder Art.

Das Einsatzgebiet

• In erster Linie Europa, in zweiter Linie die ganze Welt

Einsatzleitung / Hauptquartier

• In Europa, ereignisabhängig aber auch ausserhalb des Heimkontinents

Einsatzgruppen

• Mobile Hilfs- und Rettungseinheiten

Kommunikationsbedürfnis

• In erster Priorität Verbindungen über >0 bis 200km.

Verbindungszweck

• Austausch von Meldungen in Form von Sprache oder Daten.


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Zielsetzungen

Was muss erreicht werden?

1. Priorität

• Sichere Verbindungen über kurze Distanzen (>0…200km, ohne optische Sicht) per Sprechfunk (J3E, H3E), Datenfunk (F1B) oder Telegrafie (J2A).

2. Priorität

• Sichere Verbindungen über mittlere Distanzen 200…2000km ohne optische Sicht per Sprechfunk (J3E, H3E), Datenfunk (F1B) oder Telegrafie (J2A).

Fazit

• Diese Verbindungsbedürfnisse können nur mit einer Übertragung im MF/HF-Bereich von 2 - 30MHz abgedeckt werden. Zu dieser Erkenntnis gelangte allerdings auch unser Auftraggeber.


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Der HF-Transceiver CTX-20

Die Daten:

• Frequenzbereich 1.5 bis 30MHz.

• Ausgangsleistung an 50Ω-Last:20W oder 43dBm bei SWR <2.0(mit PA 125W / 51dBm).

• Empfänger-Empfindlichkeit an 50Ω-Quelle: 0.65μV / -110.7dBm.

• ALE-fähig im Bereich 1.5 bis 30MHz(ALE = Automatic Link Establishment). Beispielbild HF-Transceiver

Kunden-Aktivität

Es wurde erst einmal beschafft…

… und zwar die folgenden Systemkomponenten:


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Und weiter… eine Antenne

Beschafft wurde die SWTA-Antenne (SWTA = Single Wire Terminated Antenna).Warum? Weil sie gemäss Aussage des Verkäufers so schön breitbandig ist…

Beispielbild HF-Antenne


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Man hatte also…

• Einen Super-Transceiver…

• Eine tolle Antenne, hervorragend angepasst im gesamten HF-Bereich.

• SWR überall besser als 2.

• Die ganze HF-Power auf die Antenne geführt.

• Robustes Material.

• Fast nur Freude…

• Wenn nur die Verbindungswahrscheinlichkeit höher als bei kaum 25% liegen würde


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Was lief falsch?

• Man beschaffte hervorragende Transceiver.

• Dazu gut angepasste Antennen.

• Scheinbar fehlte etwas Wesentliches, nämlich:

• DAS GESAMTHEITLICHE DENKEN

und damit

• DIE UMFASSENDE BETRACHTUNG ALLER FÜR SICHERE FUNKVERBINDUNGEN RELEVANTER ERFOLGSFAKTOREN.


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Erfolgsfaktoren für sichere Funkverbindungen

• Die aktuelle Problemstellung zeigt die fatalen Folgen, wenn nicht IN SYSTEMEN gedacht wird.

• Wäre dem anders gewesen, hätte man nicht einfach Geräte beschafft, sondern sich auch Gedanken über deren „Wirken“ im Gesamtsystem gemacht.

• Doch was ist „das Gesamt-System“ und woraus besteht es?

• Das Gesamt-System heisst FUNKVERBINDUNG und besteht aus:

1. ZWEI Sende- / Empfangsanlagen

2. ZWEI Antennen und

3. EINEM Ausbreitungsweg

• Es sind also 5 (fünf!) Komponenten in EINE systematische Gesamt-Betrachtung einzubeziehen.


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Die Funkverbindung

Nochmals:

• Nur eine GESAMTHEITLICHE Sichtweise erlaubt die umfassende Beurteilung einer konkreten Situation.

• Nur eine GESAMTHEITLICHE Sichtweise hilft Enttäuschungen zu vermeiden welche dann eintreten, wenn verschiedene Subsysteme zusammenwirken.

• Und mag das einzelne Element so gut passen, Murphy wartet…


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Essenzen einer Funk-Verbindung

Betrachten wir die Sache vom Empfänger her:

• Eine Verbindung kann nur dann zustande kommen wenn einem Empfänger eine Eingangsleistung angeboten wird, deren Stärke über seiner eigenen Empfindlichkeit liegt.

• Die dem Empfänger angebotene Eingangsleistung hängt von ab vom Ge-winn der Empfangsantenne, der Steckendämpfung auf dem Ausbreitungs-weg, dem Gewinn der Sendeantenne und der Ausgangsleistung des Senders.

• Alle erwähnten Faktoren sind entweder per Definition bekannt oder aber berechenbar.

• Ein Faktor aber, der Ausbreitungsweg und die durch ihn hervor gerufene Steckendämpfung, erfordert besondere Aufmerksamkeit.

• Ihm wollen wir uns in der Folge vertieft zuwenden.


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Ausbreitungswege im HF-Bereich

• Signale im HF-Bereich (100...10m) pflanzen sich über die Bodenwelle (BW) nur über geringe Distanzen aus. Die BW ist frequenz- und leistungs-abhängig.

• Interessant ist die Signal-Ausbreitung über die Raumwelle (RW), wobei hier jahres- und tageszeitliche Einflüsse, sowie die aktuelle solare Aktivität zu beachten sind.

Bild: Sebastian Janke

Bodenwellen-Reichweite

f (MHz) Distanz (km)

2 ca. 100km

4 ca. 50km

6 ca. 30km

8 ca. 20km

10 ca. 16kmBeispiel mit gleicher Ausgangsleis-tung auf allen Frequenzen bei verti-kaler Polarisation und mit konstan-ter Feldstärke am Empfangsort.


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Aufbau der Ionosphäre

Bild: NOAA

• HF-Signale überwinden grössere Distanzen mittels Raumwellenausbreitung. Dabei wird die Fähigkeit der Ionosphäre genutzt, auftref-fende Signale zu „reflektieren“.

• Die Ionosphäre ist aber nicht nur einfach ein Spiegel. Die verschiedenen Schichten wirken reflektierend, brechend oder auch dämpfend.

• Die Auswirkungen der Ionosphäre auf Radio-wellen hängt ab von Jahres- und Tageszeit, Sonnenaktivität, Einfallwinkel und Frequenz.

• Die unteren Schichten (D, E) üben tagsüber auf Signale < 8MHz eine dämpfende Wirkung aus. Sie lösen sich nach der Dämmerung auf und geben den Weg zu den F-Schichten frei, welche nun als Reflektoren wirken können.


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MUF / OWF / LUF

• Die Frequenz des blauen Signals ist größer als die MUF, durchdringt alle Schichten und gelangt ins All.

• Die Frequenz des grünen Signals ist kleiner als die der MUF der F-Schicht. Es ist aber größer als die MUF der E-Schicht und liegt im Bereich der OWF.

• Die Frequenz des orangen Signals ist kleiner als die MUF der E-Schicht und größer als die der LUF.

• Die Frequenz des roten Signals ist kleiner als die LUF und wird in der D-Schicht absorbiert.

MUF – Maximum Usable Frequency OFW – Optimum Working Frequency LUF – Lowest Usable frequency


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Bodenwellen

• Unter Bodenwellen versteht man die sich entlang der Erdoberfläche ausbreitenden Radiowellen einer Sendeantenne.

• Die Bodenwellen-Ausbreitung ist stark frequenz- und leistungsabhängig.

• Die Bodenwellen-Ausbreitung ist im weiteren stark abhängig von der Bodenbeschaffenheit (Leitfähigkeit) und der Topographie.

• Die Bodenwellen-Ausbreitung ist von tages- oder jahreszeitlichen Änderungen nicht oder nur wenig betroffen.

• Im HF-Bereich betragen Bodenwellen-Reichweiten einige zehn bis hundert Kilometer.

• Feuchte Böden mit hoher Leitfähigkeit begünstigen die Bodenwellen-Ausbreitung, trockene Böden, Fels und natürlich Gebirge behindern sie.

• Maximale Bodenwellen-Reichweiten ergeben sich im LF und VLF-Bereich und über Meer (Bis weit über 10‘000km).


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Raumwellen

• Als Raumwelle wird die sich von einem Sender in den Raum ausbreitende elektromagnetische Welle bezeichnet.

• Die Raumwelle gelangt durch Reflektion / Brechung an der Ionosphäre wieder zur Erde zurück.

• Mittels Raumwellen lassen sich je nach Frequenz und Abstrahlwinkel Distanzen von 0km bis zu mehreren 10‘000km (Einzel- / Multihop) überwinden.

• Die Raumwellen-Ausbreitung ist im Vergleich zur Bodenwelle weniger abhängig von Sendeleistung und Bodenbeschaffenheit.

• Dafür besteht bei der Raumwelle eine starke Abhängigkeit von den Ionosphären-Eigenschaften (f0F2, OWF, Mögel-Dellinger Effekt) als Folge von tages- und/oder jahreszeitlichen Effekten sowie der Sonnenaktivität.


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• Sichere Verbindungen im HF-Bereich über 0…200km können nur mittels Raumwellen erreicht werden.

• Diese werden in steilen Winkeln von 76…90° himmelwärts abgestrahlt.

• Das Verfahren heisst NVIS (Near Vertical Incident Skywave).

• Bodenwellenabstrahlung, bzw. BW- Empfang werden möglichst weitge-hend unterdrückt.

• Dies zwecks Vermeidung von Inter-ferenzen, welche Verzerrungen bis hin zu vollständigen Signal-Auslö-schungen zur Folge haben können.

• Am Sende- wie am Empfangsort sind vorzugsweise steilstrahlende NVIS-Antennen einzusetzen.

Bodenwelle oder Raumwelle?

Elevationsdiagramm einer NVIS-Antenne


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Frequenzwahl für NVIS-Verbindungen

• NVIS-Verbindungen basieren auf steil himmelwärts abgestrahlten Signalen.

• Die Spiegeleigenschaften der oberen Schichten der Ionosphäre folgen op-tischen Gesetzen und reflektieren auftreffende HF-Signale, welche unter-halb der kritischen Frequenz f0F2, bzw. zwischen LUF und MUF liegen.

• Somit gilt es, die kritische Frequenz f0F2 zweifelsfrei zu bestimmen.

• Die kritische Frequenz f0F2 definiert die höchste Frequenz, welche bei senkrechtem Auftreffen auf die Ionosphäre noch reflektiert wird.

• Die LUF (Lowest Usable Frequency) ist die nied-rigste Frequenz, welche sich für eine definierte Verbindung noch eignet.

• Die MUF (Maximum Usable Frequency) ist die höchste Frequenz, welche sich für eine definierte Verbindung noch eignet.

• Die kritische Frequenz wird in diversen Obser-vatorien gemessen, MUF und LUF werden mittels Ausbreitungsprognosen errechnet.

Bild: www.spacew.com


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Übertragungswege - Streckendämpfung

Wichtig: Die oben stehenden Angaben sind theoretische Richtwerte. Sie können durch Dämpfungseffekte in den D / E-Schichten und Reflektionsdämpfung grösser, durch eine besonders hohe Leitfähigkeit der Ionosphäre oder Reflektionen in den unteren Schichten aber auch kleiner werden.

Empfehlung: Den aufgeführten Dämpfungswerten 10...20dB Sicherheitsmarge zuzurechnen.


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Übertragungswege - Fazit

Schlussfolgerungen:

1. Zur Überbrückung kurzer Distanzen eignen sich Frequenzen bis hin zur kritischen Frequenz f0F2.

2. Die Elevations, bzw. Abstrahlwinkel sollen für Distanzen von >0… 200km 76...90° betragen (NVIS).

3. Bodenwelleneinflüsse sind wegen Interferenzproblemen zu vermeiden.

4. Die kritische Frequenz f0F2 darf bei NVIS nicht überschritten werden, ansonsten die Strahlung in den Weltraum entweicht.

5. Für mittlere Distanzen (200…2000km) eignet sich besonders die OWF (zwischen der LUF und der MUF) bei Elevationswinkeln von 21...76°.

6. Die optimale Arbeitsfrequenz OWF liegt ungefähr 15% unterhalb der MUF, sie ergibt eine Verbindungswahrscheinlichkeit von etwa 90%.

Bild: www.spacew.com


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SWTA – Mess- und Simulationsresultate

• Die SWTA-Antenne wurde auf einem geeigneten Testgelände aufgebaut, eingehend vermessen und im Simulationsprogramm EZNEC nachgebildet.

• Da die Simulationsergebnisse mit den Messresultaten weitgehend über-einstimmen, werden in nachfolgend die Simulationsgrafiken gezeigt.

Heinz Bolli Prof. Dr. Ing. Gerd Janzen


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SWTA - Anpassung Smith Chart


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SWTA - Anpassung SWR


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SWTA - Azimutdiagramm 2MHz / 76°


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Übersicht Gesamtsystem mit SWTA


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Systembeurteilung

Positiv fällt auf

• Leistungsfähiger Transceiver mit breitbandig gut angepasster Antenne.

Negativ ist anzumerken

• Verbindungsbedürfnis wird nicht erfüllt (Erfolgschance < 25%, Praxiswert).

Wo liegen die Ursachen?

• Keine effektive Gesamtbetrachtung vor Materialbeschaffung.

• Zusammenhang Sendeleistung / Antennengewinne / Ausbreitungs- oder Streckendämpfung / Störpegel / Empfängerempfindlichkeit nicht oder zu wenig beachtet.

• Einseitige Fokussierung auf gute Antennenanpassung „unter allen Umständen“.

• Keine Rechenschaft verlangt, womit diese erkauft wird.

Frage

• Womit wird diese breitbandig-gute Anpassung denn erkauft?


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Beurteilung SWTA-Antenne

Funktionsweise

• Drahtantenne, bestehend aus abgeschlossener „Wanderwellenleitung“.

• Abschlusswiderstand 450Ω

• Ankoppelung der 50Ω-Speiseleitung via Übertrager 1:9.

• HF-Weg: Eingangsübertrager, HF-Fluss über Wanderwellenleitung, Abschlusswiderstand 450Ω, HF-Rückfluss über Erde. (RE< 300Ω)

Vorteil dieses Prinzips

• Anpassung in weitem Frequenzbereich und unabhängig von der Bodenbeschaffenheit (solange RE< 300Ω).

Nachteil dieses Prinzips

• Sehr geringer Antennenwirkungsgrad bis hinunter auf wenige Prozente.

• Antennen-Wirkungsgrad zusätzlich stark bodenabhängig.

• Unterschiedliche Strahlungsdiagramme bei tieferen Elevationswinkeln.

• Die SWTA verhindert die Erfüllung des Verbindungsbedürfnisses.

Link zu Zeichnung

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SWTA- Antenne

Beispielbild HF-Antenne

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Bestehendes System - Fazit

1. Praxiserfahrung

• Das System funktioniert nicht, Verbindungssicherheit ungenügend (<25%)

2. Warum funktioniert das System nicht?

• Zu geringe Empfänger-Eingangsspannung mit ausgewähltem Setup

3. Warum ist die Empfänger-Eingangsspannung zu gering?

• Ungeeignete Antenne mit zu geringem Gewinn (-24…-12dBi) bei Eleva-tionswinkel 76° und tiefen Frequenzen (NVIS).

• Ungeeignete Antenne mit zu geringem Gewinn (-30…-21dBi) wegen teil-weise ungünstigem Richtdiagramm bei Frequenzen > 8MHz und Abstrahl-winkel 22°.

4. Konsequenz:

• Eine bessere Antenne muss her, nämlich „die richtige Antenne“.


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Die richtige NVIS-Antenne - 1

1. HF-Technische Anforderungen / Eigenschaften

• Rundstrahler.

• Elevationswinkel 76…90°.

• Gewinn > 1.8dBi.

• Frequenzbereich 2…12 MHz.

• Kein ohmsch bedämpftes System (zwecks Breitbandigkeit).

• Automatische Antennenanpassgerät als Bestandteil des Antennensystems.

2. Mechanische Anforderungen / Eigenschaften

• Zentraler Mittelmast, Höhe 7.5…8.5m.

• Einfacher Aufbau, mit maximal 2 Personen durchführbar.

• Robuste Konstruktion.

• Möglichst geringes Gewicht.


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Die „richtige NVIS-Antenne - 2


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Übersicht Gesamtsystem mit SRA


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Zukünftiges System mit SRA - Fazit

1. Praxiserwartung

• Das System wird funktionieren.

2. Warum wird das System funktionieren?

• Es stehen ausreichende Empfänger-Eingangsspannung zur Verfügung.

3. Warum ist die Empfänger-Eingangsspannung ausreichend?

• Antennengewinn mit >0dBi ergibt ausreichende Signalspannungen.

4. Worin liegt der Unterschied zwischen SRA und SWTA-Antenne?

• Die SRA ist unbedämpft > höherer Wirkungsgrad.

• Konsequenz: Zur Anpassung ist ein Antennenabstimmgerät erforderlich.

5. Schluss-Fazit:

• Die „richtige“ Antenne für dieses Verbindungsbedürfnis und 20 Watt Stationen heisst SRA. Eine durch Dämpfung breitbandig gemachte Antenne könnte erst bei Leistungen im Kilowatt-Bereich befriedigen.


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Ende der Präsentation

Ich danke Ihnen für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit

Heinz Bolli, HB9KOF

Bitte zögern Sie nicht, Fragen zu stellen, bzw. mich zu einem späteren Zeitpunkt zu kontaktieren.

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HEINZ BOLLI AGRütihofstrasse 1

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