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| ANTENNEN.FAQ Letzte Aenderungen: 21.05.2006 / 11.12.2007 / 16.06.2008 / 07.04.2010
Diese FAQ wurde von Hartmut Lehmann (Jena)
angeregt und von Armin Thesen (Mainz) erweitert.
Wird nicht mehr aktualisiert.
Erstmals erschienen in de.comm.mobil.technik
Betreff: Mobilfunkantennen-FAQ (was:E-Netz mit D-Netz- Antenne ?)
am 1. Februar 1999 09:35
Entwurf einer Mobilfunkantennen- FAQ
Vorbemerkung:
Die Frage nach der Verwendbarkeit einer D- bzw. E-Netz- Mobil-
funkantenne fuer das jeweils andere Mobilfunknetz hat in einigen
einschlaegigen Newsgroups inzwischen den Status einer FAQ erreicht.
Auch die Frage, welche Antenne sich fuer den Mobilbetrieb auf dem
Autodach am besten eignet, wird immer wieder diskutiert.
Bei der Vielzahl der auf dem Markt befindlichen Antennen ist es
kaum moeglich, fuer jede Antenne eine entsprechende Empfehlung
zu geben. Da jedoch fast alle Mobilfunkantennen auf dem Prinzip
der vertikalen Rundstrahlantenne basieren, koennen wenigstens die
gemeinsamen physikalischen Grundlagen und die konstruktiven
Unterschiede der einzelnen Antennen beschrieben werden.
Weiterhin koennen, wenn auch in beschraenktem Masse, Anhaltspunkte
und Testverfahren zur Entscheidung der Dualbandtauglichkeit einer
Antenne gegeben werden.
Dieser FAQ- Vorschlag ist als Entwurf dazu gedacht. Alle
Vorschlaege zur Verbesserung, zur Korrektur oder zur Erweiterung
sind herzlich willkommen. Dieser Text steht jedem, der sich die
Muehe eines FAQ- Keepers machen will, zur Verfuegung.
Die FAQ ist in zwei Teile gegliedert - den eigentlichen FAQ- Teil,
der IMHO auch fuer "Otto Normaluser" les- und verstehbar sein
sollte, und einen technischen Anhang, der z.Z. hauptsaechlich aus
ein paar Formeln aus Rothammel: Antennenbuch, 8. Aufl. 1974
besteht.
Diese FAQ ist als nur als ASCII textfile gestaltet. Mit Grafiken liessen
sich u.a. Antennendiagramme besser darstellen, insbesondere koennte man
da einfach zeigen was eine Keule (lobe im englischen Sprachgebrauch)
und was flache Abstrahlung ist.
Vielleicht findet sich ein UHF- begeisterter Funkamateur, der sie
ergaenzt - ich bin eigentlich dank KW eher ein Spezialist fuer
Horizontalantennen.
Hartmut Lehmann (DL5DRT) // Armin Thesen (Mainz)
Kompilation Henning Gajek (DAK223)
FAQ Mobilfunkantennen
1.Q: Warum brauche ich fuer E- und D- Netz unterschiedliche
Antennen?
A: D- und E- Netz nutzen unterschiedliche Frequenz- bzw.
Wellenlaengenbereiche.
Grundsaetzlich ist eine einfache Antenne nur fuer ein Frequenzband
entwickelt.
Beitbandantennen wie die "Discone", welche als Empfangsantenne fuer
Scanner benutzt wird, sind in den GSM Netzen unueblich. Wegen
Ihrer mechanisch Abmessung und somit hohem Luftwiderstand
bzw. Windlast sind sie fuer den Mobilfunk ungeeignet.
Im professionellen Mobilfunk, handelsuebliche GSM Telefone bezeichne
ich als "Unterhaltungselektronik", werden u.a. gefaltete Monopolantennen
verwendet. Diese sind dann in die Fahrzeug- bzw. Flugzeugzelle
integriert und sehen weil meist verkleidet, wie Flossen aus. Auf den
Lokomotiven oder Triebwagen sind auch gefaltete Monopol Antennen, das
sind die Stummel auf dem Dach.
Im Mobilfunk, also auch bei GSM, will man eine vertikal polarisierte
ungerichtete aber flache Abstrahlung. Dazu werden Vertikale Antennen
bis maximal Lambda 5/8 verwendet. Im vertikalen Antennendiagram
wird die Abstrahlung in Keulen dargestellt. Um so laenger die Keule,
um so hoeher der Gewinn. Um so niederiger der Erhebungswinkel der
Keule um so flacher die Abstrahlung.
Antennen mit einer elektrischen Laenge von Lambda/4 (Monopol) und
Lambda/2 (Dipol) sind resonant, d.h. die Impedanz bzw. der
Scheinwiderstand hat keinen imaginaeren oder Blindanteil. Im Mobilfunk
verwendete Koaxialkabel haben eine Impedanz von 50 Ohm. Eine Lambda 5/8
Antenne muss, weil nicht in Resonanz, an das Koaxkabel angepasst
werden, d.h. die Impedanz muss auf 50 Ohm transformiert werden.
Das wird mit einer Spule bzw. Induktivitaet am Fusspunkt oder
Befestigungspunkt der Antenne auf dem Autodach gemacht. An dieser
Induktivitaet wird der Innenleiter des Koaxkabels angeschlossen.
Der Aussenleiter ist auf Erde bzw. Masse. Das Autodach ist bei
Lambda/4 Antennen das Gegengwicht. Das relativ gut leitende Blech
des Fahrzeugdaches wirkt fast die ideale reflektierende Erde
(groundplane). Da sich das Dach wie eine als gut elektisch leitende
Grundflaeche in ueber mehreren Wellenlaengen vom Antennenfusspunkt
ausbreitet, ist die Abstrahlung der Vertikalantenne in der Ebene der
groundplane d.h. flach. Und so soll es auch sein. Der beste Montageort
fuer eine Vertikalantenne in Bezug auf die Abstrahlung ist die
_Mitte_ des Autodaches. Ein zusaetzlicher Aspekt ist, dass die Mitte
des Autodaches der hoechste Punkt des Fahrzeuges ist. Die Antenne wird
nicht abgeschattet und kann daher rundumstrahlen. Eine Montage zum
Beispiel auf der mitte des Kofferraumdeckels bewirkt eine schlechte
Abstrahlung.
Lambda/2 Dipolantennen sind zwar in Resonanz, weil sie bei vertikaler
Montage endgespeist werden ist ihre Impedanz aber viel groesser
als 50 Ohm. Sie werden aehnlich wie die Lambda 5/8 Dipols angepasst.
Lambda = Wellenlaenge
Lambda = c/f [m]
c = Lichtgeschwindigkeit 2.997925*10^8 [m/s]
Beispiel:
Lambda = 2.997925*10^8 [m/s] / 890 [MHz]
Lambda = 33.7 [cm]
Eine Dipol (Lambda/2) Antenne ist somit 16.8 cm lang. Tatsaechlich ist
sie um den Verkuerzungsfaktor der einige Prozent ausmacht kuerzer. Der
Vekuerzungsfaktor ist um so groesser je dicker die Antenne ist.
Frequenz f und Wellenlaenge Lambda (hier in der FAQ mit L abge-
kuerzt) sind ueber die Lichtgeschwindigkeit c ( ca. 3*10e8 m/s) fest
miteinander gekoppelt: L = c/f.
Das D-Netz nutzt Frequenzen um 900 MHz, das E-Netz um 1,8 GHz.
Die entsprechenden Wellenlaengen liegen damit bei 33 cm fuer das D-
und bei 17 cm fuer das E-Netz.
Eine Antenne, deren Laenge gleich der halben Wellenlaenge (L/2) ist,
wird auch als "Halbwellendipol" bezeichnet. Aus physikalischen
Gruenden erfuellt eine solche Antenne ihre Aufgabe, Hochfrequenz
(HF)-Energie abzustrahlen oder zu empfangen besonders gut. Sie
wirkt wie ein Schwingkreis, der mit dem sie umgebenden elektro-
magnetischen Feld in Resonanz ist. Ein optimaler Halbwellendipol
fuer das D-Netz ist also etwa doppelt so lang wie fuer das E-Netz.
2. Q: Warum gibt es dann Antennen, die sowohl fuer das D- wie auch
fuer das E-Netz gehen ?
A: Fuer GSM gibt es auch Mehrbandantennen, d.h. Antennen die sowohl fuer
die D Netze (GSM) als auch fuer die E Netze (GSM1800) geeignet sind.
Diese Antennen sind wesentlich aufwendiger aufgebaut und somit auch
teuerer als Mono Band Antennen wie in Antwort 1 beschrieben.
fuer nur ein Frequenzband. Durch eine enstprechende aufwendige
Anpassungsschaltung oder durch Sperrkreise (traps) kann man sie fuer
mehrere Frequenzbereiche auf die Impedanz des Koaxkabels vun 50 Ohm
anpassen. Antennen mit Sperrkreisen haben eine mit Kunstoff vergossene
Verdickung in der Mitte, da ist der Sperrkreis drin.
Da sich Wellenlaenge bzw. Frequenz des D- und des E-Netzes genau
um den Faktor 2 unterscheiden, wirkt ein Halbwellendipol fuer das
D-Netz im E- Netz als ein Ganzwellendipol - und damit auch als eine
resonante Antenne.
Das E-Netz arbeitet auf der 1. Oberwelle oder auch der
"1. Harmonischen" des D-Netzes.
3. Q: Meine D-Netz- Antenne ist aber nicht 17 cm lang, sondern
kuerzer ! Warum ?
A: Siehe Antwort 1. Einmal durch den Verkuerzungsfaktor anderseits
kann es eine Lamda/4 Antenne sein oder irgendeine Antenne kleiner
Lamda/2 die mit einer Anpassung(spule) auf 50 Ohm Impedanz gebracht
wird.
Wenn bislang von einer "Antennenlaenge" die Rede war, so war
die elektrische Antennenlaenge, nicht die mechanische Laenge des
Antennenstabes ("Strahler") gemeint.
Stellt man eine Antenne von der halben Laenge eines Halbwellendipols
senkrecht ueber eine leitende Flaeche (das kann der Erdboden, aber
auch ein Autodach sein), so "spiegelt" sie sich quasi in dieser
Flaeche - die mechanische Laenge der Antenne betraegt nur noch L/4,
elektrisch wirkt sie aber wie ein Halbwellendipol.
Diese Antennenform wird als Viertelwellenstrahler oder kurz als L/4
Antenne bezeichnet. (Fuer historisch Interessierte: Diese Form der
Antenne wurde von Marconi, einem der ersten kommerziellen
Anwender der Funktelegraphie, entwickelt und auch nach ihm
benannt.) Es kann noch weitere Gruende geben, warum mechanische
Strahlerlaengen von elektrischen abweichen. Diese Gruende werden
spaeter behandelt.
4. Q: Warum gehen dann nicht alle D-Netz- Antennen auch im E-Netz ?
A: Siehe Antwort 2. Weil Duobandantennen wesentlich aufwendiger sind,
sind sie auch teurer als Monoband- (Ein Band) Antennen. Aus
mechanischen Gruenden wegen moeglichst geringer Windlast will man
kurze Antennen. Es ist daher unnuetz eine Duoband-Antenne zu
installieren wenn man nur das GSM1800 Netz benutzt. Kurze Antennen
werden auch von vielen als optisch aesthetischer empfunden. GSM1800
Monoband Antennen sind halb so lang wie GSM Monoband Antennen.
4.1. Das Antennenanpass-Problem:
Bevor eine Antenne HF abstrahlen kann, muss sie vom Handy zur
Antenne transportiert werden. Neben ohmschen Verlusten, wie sie
auch bei Gleich- oder niederfrequentem Wechselstrom auftreten,
spielt in der Hochfrequenztechnik der sog. Wellenwiderstand
(Impedanz) Z eine wichtige Rolle in der Energieuebertragung. Nur
wenn die Impedanz aller an der Energieuebertragung beteiligten
Bauelemente genau gleich ist, wird die Energie ohne HF- Verluste
transportiert. Treten Uebergaenge zwischen verschiedenen Impedanzen
z.B. zwischen Kabel und Antenne) auf, wird an dieser Stelle HF-
Leistung zurueck zur Handy- Senderendstufe reflektiert. Diese
Leistung kann nicht von der Antenne abgestrahlt werden, sondern
pendelt im besten Falle zwischen Endstufe und Antenne und wird
durch ohmsche Verluste in Waerme umgewandelt, im schlimmsten
Falle kann durch sie die Handyendstufe beschaedigt werden.
Uebliche Koaxkabel, wie sie allgemein zur Verbindung zwischen
Handy und Antenne benutzt werden, haben Impedanzen von 50 Ohm
(Standard) bis ca. 85 Ohm. Eine ideale L/4- Antenne hat eine
Impedanz von etwa 40 Ohm. Allerdings ist dies ein rein theoretischer
Wert, der in Abhaengigkeit von der Antennenumgebung stark
schwanken kann. Um eine moeglichst gute Impedanzanpassung zu
erreichen, werden in den Antennenfuss z.T. aufwendige Kombi-
nationen von Spulen und Kondensatoren integriert. Das kann in Form
von konzentrierten Bauelementen (T-Glied nach Seefried) oder durch
genau berechnete Leiterstuecken (=Spulen) in einem metallischen
Antennenfuss (=Kondensator) erfolgen.
Eine einfachere Loesung bietet die sog. "verlaengerte Groundplane":
Der Antennenstrahler wird laenger als L/4 genommen, dadurch steigt
die Impedanz der Antenne, die jetzt allerdings nicht mehr in Reso-
nanz mit der Betriebsfrequenz ist. Um dies am Speisepunkt der
Antenne zu kompensieren, fuegt man zwischen der Seele des Koax-
kabels und dem Strahler einen Kondensator ein. (Ist dieser Konden-
sator abstimmbar, kann man mit entsprechender Messtechnik sogar
die Antenne fuer ihre Aufbauumgebung optimieren.) Auch die meisten
Fensterklebeantennen sind "verlaengerte Groundplanes": Die auf die
Scheibe zu klebenden Anschluesse bilden die Kondensatorplatten, das
Scheibenglas ist das Dielektrikum.
Es ist leicht einzusehen, dass mit solchen Eingriffen in die Reso-
nanzstruktur der Antenne die einfache Beziehung zwischen Viertel-
und Halbwellenstrahler fuer harmonische Frequenzen aufgehoben
wird.
Die Optimierung der Antennenanpassung fuer ein Mobilfunkband
erkauft man sich also mit einer Fehlanpassung fuer das harmonisch
liegende Band. Wie stark die Fehlanpassung ist, liegt an vielen
konstruktiven Details - Berechnungsgrundlagen im Anhang.
4.2. Die 5/8 L - Antenne
Unter idealen Bedingungen strahlt ein Dipol die meiste Energie
senkrecht zu seiner Achse ab. Die ungestoerte Abstrahlungs-
charakteristik entspricht einem Torus.
Sieht man davon ab, dass bei einem senkrecht stehenden L/4- Strahler
durch den Erdeinfluss der Torus etwas "verbogen" ist, kann man sich
die raeumliche Feldstaerkeverteilung um die Antenne gut dadurch
vorstellen, dass man einen Donut auf den Strahler schiebt :-) .
Ein senkrechter Strahler hat somit Rundstrahleigenschaft in der
Horizontalebene, strahlt aber auch relativ viel Energie nach oben ab.
Visiert man von der Antenne aus eine etwas weiter entfernte BTS an
wird man bemerken, dass der Visierwinkel zu Horizont relativ flach
ist. Will man also moeglichst viel Energie zur BTS schicken waere es
praktisch, den "Donut flachklopfen" zu koennen.
Tatsaechlich haengt das Vertikalstrahlungsdiagramm einer Antenne
von der Laenge des Strahlers ab:
Strahlerlaenge Erhebungswinkel
L/4 30ø
L/2 17ø
5/8 L 12ø
Der Erhebungswinkel ist der Winkel zum Horizont, unter dem die
meiste Leistung abgestrahlt wird.
Um weit entfernte BTS erreichen zu koennen, ist also eine Antennen-
laenge von 5/8 L optimal. Leider ist diese Laenge nicht resonant.
Wie schon beschrieben, muss ueber konstruktive Massnahmen eine Impe-
danzanpassung erfolgen. Im Gegensatz zur "verlaengerten Ground-
plane" wird hier entweder in den Antennenfuss eine Spule eingefuegt
oder der Strahler spulenfoermig um einen Stab gewickelt
Natuerlich auch diese Antenne fuer harmonische Wellenlaengen nicht in
Resonanz. Eine fuer das D-Netz optimierte 5/8L ist fuer das E-Netz
katastrophal fehlangepasst.
5. Q: Kann ich von aussen erkennen, ob meine Antenne fuer beide
Netze geht ?
A: Leider nicht sicher.
Indizien die dagegen sprechen sind:
- mehrere Bauelemente (Kondensatoren, Spulen) im Antennenfuss
- Drahtwendel im /um den Strahler
- Antennen mit zusaetzlichem Ausgang fuer das Autoradio
- Aktivantennen (Antennen mit Verstaerker/Booster), soweit sie nicht
explizit fuer D- und E-Netz ausgelegt sind. Dazu gehoeren auch Frei-
sprecheinrichtungen mit Antennenverstaerker.
A: Siehe Antwort 2. Sperrkreise sind ein Indiz fuer Duobandantennen.
Duoabandantennen haben eine auwendigere Anpassschaltung im Fusspunkt
d.h. der Antennenbefestigung auf dem Autodach. Duobandantennen sind
laenger als Monobandantennen fuer GSM1800. Eine Antenne die kuerzer als
8 cm ist wahrscheinlich keine Duoabandantenne. Antennen die kuerzer als
Lamda/4 sind haben wegen Anpassungsproblemen und Verlusten durch den
niederigen Antennenwiderstand einen niederigen Wirkungsgrad.
6. Q: Kann es meinem Handy schaden, wenn ich es an eine "falsche"
Antenne anschliesse ?
A: Wenn die falsche Antenne direkt, d.h. ohne Koaxkabel ans Handy
angeschlossen wird ist eine Schaedigung moeglich. Allerdings sollte
eine Schutzschaltung der Sendeendstufe im Handy eine Schaedigung
verhindern. Die Funktion wird aber auf alle Faelle wesentlich
beeintrachtigt.
Bei den handelsueblichen Koaxkablen bei Laengen von einigen Metern
ist eine Schaedigung des Handys praktisch ausgeschlossen, denn die
Daempfung des Koaxkabels ist so hoch, dass die Sendeendstufe
des Handys immer 50 Ohm Impedanz sieht.
A: Im Prinzip - schon.
Fehlanpassung kann durch von der Antenne zurueckreflektierte HF-
Leistung die Endstufentransistoren des Handies thermisch ueberlasten.
Unter besonders unguenstigen Bedingungen koennen durch Resonanz-
ueberhoehung Spannungsspitzen entstehen, die Sperrschichten in den
Transistoren durchschlagen koennen.
Praktisch ist die Gefahr zumindestens bei der Kombination D-Netz-
Antenne / E-Netz- Handy an einer Mobilantenne mit ca 2 m Kabel
oder mehr gering. Die bei 1.8 GHz bereits sehr deutliche Kabel-
daempfung reicht meist aus, um Spitzen abzufangen. Ausserdem sind
knapp dimensionierte Endstufen bei E-Handys vermutlich selten, da
durch die stark schwankenden Kapazitaeten in der Umgebung der
eingebauten Handyantenne (Handy am Kopf, in der Mobilfunk-
halterung etc.) ohnehin mit staerkeren Antennenfehlanpassungen
gerechnet werden muss.
Bei der (eher selten anzutreffenden und nur in Verbindung mit einer
L/2- Antenne fuer das E-Netz ueberhaupt sinnvollen) Kombination E-
Netz-Antenne / D-Netz- Handy kann das schon anders aussehen, da
die Kabeldaempfung hier geringer ist. Es ist auch zu vermuten, dass
die Sendeendstufen von D-Netz Handys weiter ausgereizt werden -
das ist aber sicher von Handy zu Handy verschieden.
Bei Tests geht eine akute Gefahr eigentlich nur von Resonanzueber-
hoehungen aus, die das Handy in Millisekunden "toeten" koennen.
Ausloeser dieses "ploetzlichen Handytods" ist eine kurze Sendephase
des Handys beim Einbuchen in die BTS. Sie tritt allerdings nur dann
auf, wenn das Handy an der zu testenden Antenne ueberhaupt ein Netz
findet. Ohne eine genuegend hohe Empfangsfeldstaerke wird das Handy
von der BTS nicht zum Senden aufgefordert. "Von sich aus" sendet
ein Handy nicht !
Fuer Antennentests mit Handy kann folgende Strategie zur Risiko-
minimierung empfohlen werden:
1. Wenn moeglich, ein schwach versorgtes Gebiet (1-2 Balken an der
eingebauten Antenne) aufsuchen.Externe Antenne anschliessen,Handy
einschalten. Findet das Handy kein Netz, hat sich das "Antennen-
problem" von selbst erledigt, die Antenne ist nicht resonant oder
die Leitungsdaempfung ist zu hoch.
Findet das Handy ein Netz, sollte die Balkenanzeige nicht geringer
als bei der eingebauten Antenne sein. Ist dies der Fall, kann immer
noch eine Antennenfehlanpassung vorliegen u. das Handy bei laengerer
Benutzung durch thermische Ueberlastung der Endstufen beschaedigt
werden.
2. Ist 1. nicht machbar, die Antenne an ein bereits eingebuchtes
Handy anschliessen - hier ist gute Netzversorgung von Vorteil.
Geht nach Anschliessen der Antenne die Balkenanzeige zurueck, die
Antenne wieder abziehen. Handy nicht mit angeschlossener Antenne
ausschalten, da auch der Ausbuchvorgang u.U. mit einem Sende-
vorgang von Seiten des Handys verbunden ist !
Grundsaetzlich vermieden werden sollten Tests mit Handys an Aktiv-
antennen bzw. aktiven Freisprecheinrichtungen, hier ist die Gefahr
der Beschaedigung des Boosters / Antennenverstaerkers zu gross.
Es sei ausdruecklich darauf hingewiesen, dass die beschriebenen
Vorgehensweisen ein Risiko durch eine unbekannte Antenne
verringern, nicht ausschliessen. Der Autor uebernimmt keine Haftung
fuer Schaeden an Handys !
7. Q: Ich habe eine Antenne, die mit 0 dB Gewinn angegeben ist.
Jetzt habe ich eine Antenne gesehen, die genauso aussieht wie
meine, aber 3 dB Gewinn haben soll. Kann das sein ?
A: Gewinnangaben bei Geraeten der Unterhaltungselektronik werden meist
nach oben teilweise weit nach oben abgerundet. Richtige Gewinnangaben
muessen beim dB Wert die Bezugsantennne angeben, d.h. dBi oder dBd.
Wenn da nur dB steht ist die Angabe wertlos. dBi gibt den Gewinn ueber
einen isotropen Strahler an, dBd ist der Gewinn gegenueber einem
horizontalen Dipol im freien Raum. Der dBi Wert ist um
2.15 dB hoeher als der dBd Wert.
Antennengewinn ist wie die Steuerreform ein Nullsummenspiel. Gewinn
auf der eine Seite stehen Verluste auf der anderen gegenueber. Weil
die Vertikalantennen im Mobilfunk rundum abstrahlen bedeutet ein
hoeherer Antennengewinn eine schmalere Keule bei der flachen Abstahlung.
Den hoechsten Antennengewinn haben Lamda5/8 Antennen. Bei groesseren
Antennenlaengen nimmt die Steilstrahlung zu und somit die Keule der
flachen Abstrahlung ab.
Beispiele fuer theoritsch moeglichen d.h. max. Antennengewinn:
Lamda/4 5.15 dBi 3 dBd (Monopol)
Lamda/2 6.83 dBi 4.68 dBd (Dipol vertikal)
Lamda5/8 8.15 dBi 6 dBd
A: Im Prinzip - ja ! Gewinnangaben von Antennen sind immer
mit Vorsicht zu geniessen.
Wenn man davon ausgeht, dass eine gut angepasste Antenne die
gesamte ihr angebotene Sendeleistung auch abstrahlen sollte,
duerfte es eigentlich gar keinen "Antennengewinn" geben.
Tatsaechlich kommt ein Antennengewinn nur durch die Richtwirkung
der verschiedenen Antennenformen zustande.
Bildlich laesst sich das einfach vorstellen: Eine 1 W - Gluehlampe
in der Mitte einer Milchglaskugel leuchtet die Kugel gleichmaessig
aus. An jedem Punkt der Kugel misst man die gleiche Strahlungs-
dichte ( in W/cm^2). Baut man jetzt einen Reflektor um die Lampe,
werden bestimmte Teile der Kugel ueberhaupt nicht mehr beleuchtet,
dort aber, wo das gerichtete Licht auftrifft, ist die Strahlungs-
dichte wesentlich hoeher als bei homogener Ausleuchtung, da sich
das 1 W Strahlungsleistung jetzt auf eine wesentlich geringere
Flaeche verteilt.
Entsprechend verhaelt es sich mit rundstrahlenden Mobilfunkantennen:
Stellt man sich eine Halbkugel vor, in deren Mitte die Antenne
steht, so leuchtet ein (hypothetischer) "Isotropenstrahler" die
Halbkugel gleichmaessig aus. Er hat per Definition einen Gewinn von
0 dB.
Eine L/4- Antenne hingegen projeziert ein "Lichtband" an die Halb-
kugel, das bei einem Erhebungswinkel von 30ø seine groesste Hellig-
keit hat und bei 10ø bzw. 55ø auf je 50% der maximalen Licht-
leistung abgefallen ist. ("-3 dB- Punkte").
Durch Integration ueber diesen Raumwinkel (45ø) erhaelt man eine
Strahlungsdichte, die um den Faktor 1,64 (=2,15 dB) groesser ist
als die des Isotropenstrahlers.
Fuer die L/2 - Antenne ist dieses Lichtband nur noch 30ø breit,
fuer die 5/8L - Antenne sogar nur noch 24ø. Damit erhaelt man fuer
die L/2 einen Gewinn von knapp unter, fuer die 5/8L einen Gewinn
von knapp ueber 3 dB.
Abgesehen von der Tatsache, dass die beschriebene Integration in
praxi nicht ganz so einfach auszufuehren ist, war die Sache bis
jetzt noch recht uebersichtlich :-).
Jetzt wird es kompliziert: Betrachtet man nur die "obere Halb-
kugel", stimmen die Werte so wie angegeben. Nimmt man aber eine
Vollkugel als Bezug, so strahlt der Isotropenstrahler nach oben
wie nach unten, die L/4-Antenne aber nur nach oben (unten ist die
Erde), d.h. die obenstehenden Werte muessen (koennen) mit 2 multi-
pliziert werden*. Fuer die L/2 - Vertikalantenne sind also sowohl
3 dB als auch 6 dB richtig - je nach Bezug.
Leider hat der Isotropenstrahler einen entscheidenden Nachteil:
Es gibt ihn nur in der Theorie. Deshalb bezieht man real gemessene
Antennengewinne auch auf real darstellbare Antennen, etwa den Herz-
schen Dipol (ein horizontales Leiterstueck mit einer Laenge kleiner L/8)
oder einen horizontalen Halbwellen- Dipol oder eben eine L/4 -
Vertikalantenne.
Damit kann man, ohne zu luegen, fuer die L/2- Vertikalantenne
folgende Gewinne angeben*:
6 dB (gegenueber Isotropenstrahler)
3 dB (gegenueber Halbraum- Isotropenstrahler)
4,25 dB (gegen Herzschen Dipol)
3,85 dB (gegen horizontalen Halbwellendipol)
0,75 dB (gegen L/4 -Strahler)
Merke:
Eine Gewinnangabe ohne Angabe der Bezugsantenne ist wertlos !
uebrigens habe ich das Gefuehl, dass sich im Handel eine ganzzahlig
nach oben abgerundete dB- Angabe durchgesetzt hat....
Fuer "normale" Mobilfunkantennen sind Antennengewinne groesser 3dB
gegenueber dem L/4- Strahler mit Vorsicht zu betrachten, 2 dB sind
fuer L/2, 3 dB fuer 5/8L- Antennen o.k..
"Wunderantennen" gibt es nicht !
Bei der in der FAQ als Beispiel aufgefuehrten Antenne wird es sich
vermutlich um eine L/4- Antenne handeln, einmal korrekt mit 0 dB
auf den L/4 Vertikalstrahler, einmal aufgerundet auf den Halbraum-
Isotropenstrahler bezogen.
8. Q: Worauf soll ich beim Kauf einer Mobilfunkantenne achten ?
A: Wichtiger als der Gewinn der Antenne ist die Kabeldaempfung.
Hochwertige Koaxialkabel, d.h. Koaxialkabel die duenn und
flexibel sind aber trotzdem eine niedrige Daempfung haben
sind teuer.
Hochwertige Koaxkabel mit Teflondielektrikum kosten zig
EUR pro Meter.
Das haeufig verwendete Koaxialkabel RG174 ist besonders fuer
GSM1800 ungeeignet. RG174 hat bei 1.8 GHz ca. 1.5 dB Daempfung
pro Meter. Die beiden Koaxialstecker an den den Kabelenden
bringen zusaetzlich noch mal je 0.2 bis 0.5 dB Daempfung.
Ein RG174 hat somit ca. 6 dB Daempfung vom handy bis zur
Antenne, d.h. an der Antenne kommt nur noch ein Viertel
der Sendeleistung an. Der Empfang wird natuerlich
ebenfalls um 6 dB gedaempft.
Man bekommt so ohne Aufpreis ein Daempfungsglied mitgeliefert. ;-)
Da besonders bei GSM1800 die Fahrzeugfenster wesentlich groesser
als die Wellenlaenge sind wird die Aussendung kaum gedaempft.
Man gewint also nichts, wenn man eine Aussenantenne mit Koaxkabel
an das handy anschliesst im Gegensatz zur Antenne direkt auf dem
handy.
Man sollte daher ueberpruefen ob man, besonders bei GSM1800,
eine Freisprecheinrichtung mit dem schlechten RG174 Koaxkabel
braucht. Eine Verbesserung der Sende- und Empfangseigenschaften
wird dadurch nicht erreicht.
Spezielle Richantennen wie sie zum Beispiel von der Firma flexayagi
angeboten werden und einen Gewinn von mehr als 10 dBd haben, koennen
zusammen mit einem daempfungsarmen Koaxkabel die Sende- und
Empfangseigenschaften wesentlich verbessern.
Allerdings sind solche Antennen nicht im Mobilbetrieb einsetzbar.
A: Wichtiger als der Strahler und die "dB"* ist der verlustarme
Energietransport vom Handy zur Antenne.
Auf jeden Fall soll das Koaxkabel so kurz und verlustarm wie
moeglich sein. Die Qualitaet des Koaxkabels wird von seiner Seele
und vom Dielektrikum bestimmt. Oberflaechenversilberte Seelen und
Luftkammern im Dielektrikum sind Indizien fuer ein elektrisch hoch-
wertiges Kabel. Vorsicht, besonders bei E-Netz- Einsatz, ist bei sehr
duennen Koaxkabeln geboten.
Wird mit Sicherheit nur ein Mobilfunkband benoetigt, kann ein
Anpassglied im Antennefuss von Vorteil sein. Dann aber immer
genau die Aufbauvorschriften einhalten !
Geneigte Strahler sehen schick aus, sind aber nur bei Glasklebe-
antennen u.U. sinnvoll. Senkrechte Strahler haben bessere Rund-
strahleigenschaften.
Auto - Dachantennen sollten moeglicht mindestens 1 L (ca. 33 cm)
von der Dachkante entfernt plaziert werden.
Bei gemischtem D/-E-Netz- Betrieb gibt es mit L/4- Strahlern fuer
das D-Netz die wenigsten Anpassprobleme. Solche Antennen sind
i.d.R. auch recht preiswert !
Dachantennen sind der besseren Erde wegen Scheibenklemm- und
Scheibenklebeantennen vorzuziehen.
Eine 3x so teure Antenne kann schon aus physikalischen Gruenden
niemals 3x besser sein ;-))
Technischer Anhang
* dB ist ein logarithmisches Mass. 3dB entsprechen etwa doppelter,
-3dB halber Leistung. Da nur wenige Logarithmen ganzzahlige Werte
geben, wird in dieser FAQ linear gerundet. Es ist zu beachten, dass
der daraus resultierende Fehler bei kleinen dB- Werten am groessten
ist !
Fuer alle, die die oben beschriebenen Sachverhalte nachrechnen
wollen.
Kenngroessen eines L/4- Vertikalstrahlers:
Effektive Laenge Strahlungswiderstand Eingangswiderst.
l_eff = L/(2*pi) R_s = 1579*sqr(l_eff/L) R_e = R_s + R_v
R_v - Verlustwiderstand, meist Erdverluste. Fuer Autodach mit
10...60 Ohm anzunehmen.
Verkuerzungsfaktor (Naeherung) mit d - Strahlerdicke, l - Laenge:
S = 0.73+0.24*(1-exp(-l/d/34)
Wellenwiderstand Z_a des Strahlers:
Z_a = 60*ln (1,15*S)
T - Anpassglied nach Seefried (zwei Induktivitaeten in Reihe zum
Strahler und zur Koax- Seele, ein Kondenstor zwischen beiden
Spulen zur Erde /Koax- Abschirmung):
Impedanz des Transformationsgliedes (mit Z_k = Kabelimpedanz)
Z_tr = sqrt(Z_k*Z_a)
Spuleninduktivitaet L_x = Z_tr / (2*pi*f*f)
Kondensator- Kapazitaet C_x = 1/( 2*pi*Z_tr*f*f)
(Formeln gelten auch fuer GP und 5/8L- Antenne sinngemaess)
----------
Alle Angaben _ohne Gewaehr_, alle Preise inkl. Mehrwertsteuer
Hinweise: Diese Informationen finden sich u.a.
aktuell im Internet unter folgenden URL-Adressen:
http://www.gajek.de (Spiegelseite http://www.hrgajek.de)
http://mobilfaq.in-ulm.de/ (Direkt zum Online-Lesen :-)
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