Funksysteme: Antennentechnik

Hochfrequenzwellen breiten sich – wie der Name schon sagt – in Wellenform aus und gehorchen deshalb auch folgender Gleichung:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c von Hochfrequenzwellen ist die Lichtgeschwindigkeit. Die Formel zeigt:

  • je höher die Frequenz f,
  • desto kleiner die Wellenlänge λ.

Dies hat zur Folge, dass je höher die Frequenz, desto geringer ist die Fähigkeit sich um Hindernisse zu beugen. Hohe Frequenzen (UHF) werden also von metallischen Hindernissen abgeschattet. Deshalb sollte immer eine Sichtverbindung zwischen den Antennen (insbesondere bei UHF oder gar 2,4 GHz Systemen) bestehen.
Der nächste wichtige Punkt bei der Antennenpositionierung ist das Abstrahlverhalten von Antennen. Folgendes Bild zeigt näherungsweise das Abstrahlverhalten (bzw. auch das Empfangsverhalten) von so genannten λ/2-Antennen.

Klar zu sehen ist, dass in Antennenachse keine Abstrahlung erfolgt. Quer zur Antenne ist die Abstrahlung am größten, weshalb ein steiler Winkel zwischen Antennen vermieden werden sollte. So ist es beispielsweise nicht zu empfehlen, die Antennen unterhalb einer Traverse zu platzieren, wenn sich der Taschensender auf Hüfthöhe befindet.

Übrigens gibt es keine Sende- und Empfangsantennen – jede Antenne kann sowohl zum Senden wie auch Empfangen genutzt werden. Eine Ausnahme bilden hier aktive (Empfangs-) Antennen. Das liegt an dem Vorverstärker, der direkt auf der Antenne platziert ist. Dieser kann nur „in eine Richtung“ betrieben werden.

Ein dritter Punkt ist die Polarisation. Eine HF-Welle weist immer einen elektrischen und magnetischen Teil auf. Die beiden Teilwellen haben einen Versatz um 90°, wie im Bild zu sehen ist.

Je nach dem in welche Richtung der elektrische Teil – der nur für die Übertragung wichtig ist – zeigt, spricht man von horizontaler oder vertikaler Polarisation. Im Bild ist die horizontale Polarisation dargestellt. Aufgrund der Polarisation ist zu beachten, dass man Antennen parallel anordnet: ist nämlich ein Versatz der beiden Antennen um 90° vorhanden, so wird eine Übertragung unmöglich. Es sollte also vermieden werden, die Antennen am Empfänger waagrecht zu stellen (horizontal polarisiertes Feld) und beispielsweise den Taschensender mit seiner Antenne am Hosenbund so zu befestigten, dass die Antenne vertikal positioniert ist.

Fazit: Antennen so parallel wie möglich und in Sichtverbindung aufstellen.

Praxistipp

In der praktischen Anwendung hat sich bei Diversity-Systemen herausgestellt, dass die Empfangsantennen am besten 45° nach außen gestellt werden sollten. Dies gilt insbesondere in Kombination mit Handsendern, die horizontal und auch vertikal gehalten werden können.

Um die Reichweite bzw. die Betriebssicherheit zu erhöhen, können Richtantennen verwendet werden. Diese weisen eine Vorzugsrichtung auf, in der besonders gut empfangen (bzw. abgestrahlt) wird. Man spricht hier vom Gewinn einer Antenne. Der typische Gewinn einer logarithmisch periodischen Antenne, die von Shure angeboten werden (z.B. UA874 oder PA705), beträgt etwa 7 dB und der Öffnungswinkel liegt bei 90° - 100°.

Richtantennen werden generell mittels eines Koaxial-Kabels vom Empfänger abgesetzt, das Verluste aufweist. Je nach Qualität des Kabels liegen diese Verluste bei 10 - 50 dB pro 100 Meter. Die Kabelverluste sollten mittels eines HF-Verstärkers wieder aufgeholt werden. Dabei ist zu beachten, dass nicht mehr als die Kabelverluste aufgeholt wird. Eine zu hohe Verstärkung produziert Intermodulationen wodurch die Kompatibilität eines Setups nicht mehr gewährleistet ist. Auf der Richtantenne UA874 ist deshalb ein HF-Verstärker integriert. Dieser kann auf +12 oder +6 dB Verstärkung (bzw. für Große Setups mit kurzen Kabeln auch 0 oder gar -6 dB.) eingestellt werden um die Kabelverluste aufzuholen. Für abgesetzte passive Antennen (UA8, PA705, …) kann der HF-Verstärker UA834 genutzt werden.

Wichtig ist darüber hinaus die gegenseitige Beeinflussung von Antennen. Antennen entziehen einer elektromagnetischen Welle Energie. Liegen nun zwei Antennen recht nahe beieinander - beispielsweise durch das Montieren von mehreren Empfängern direkt übereinander in einem Rack – so bekommen beide Antennen weniger Energie als wenn nur eine Antenne verwendet werden würde. Dadurch sinkt die Reichweite bzw. die Betriebssicherheit. Aus diesem Grund sollten bei größerer Kanalanzahl Antennen-Splitter (z.B. Shure UA844, UA845) verwendet werden.

Diversity

Das HF-Signal eines drahtlosen Mikrofons wird in der praktischen Anwendung immer sowohl direkt als auch reflektiert (über Wände, Decken usw.) zur Empfangsantenne gesendet. Beträgt der Wegunterschied der beiden Teilwellen eine halbe Wellenlänge, so löschen sich direktes und reflektiertes Signal gegenseitig aus, es entsteht ein Drop Out.

Aus diesem Grund sind professionelle Empfänger mit zwei Antennen ausgestattet und arbeiten mit dem Diversity-Effekt. Steht nun eine Antenne im Drop Out Punkt, so ist immer noch eine weitere Antenne für den Empfang bereit.

Bei dem so genannten „Antenna Switching Diversity“ wird bei schlechtem Empfang auf die jeweils andere Antenne umgeschaltet. Nachteil ist, dass kein Vergleich zwischen den einzelnen Signalen möglich ist, d.h. es ist nicht klar, welche Antenne nun wirklich das bessere Signal empfängt. Außerdem besteht die Gefahr, dass das Schalten der Antenne durch ein Knacksen hörbar ist.

Beim „True Diversity“ oder „Audio Diversity“ wird aus beiden Antennensignalen erst einmal ein Audio-Signal gewonnen. Somit stehen wzei Audiosignale zur Verfügung die bewertet werden können. Das bessere Audio-Signal wird zum Audio-Ausgang des Empfängers geleitet.

Der optimale Abstand von dem Diversity-Antennen-Paar ist eine Wellenlänge – bei UHF-Signalen also etwa 40 cm.

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