6 Antennentechnik. Antennentechnik

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1 289 Die flächendeckende WLAN-Versorgung eines Gebäudes hängt von der Reichweite der einzelnen Funkzellen und vor allem von der richtigen Platzierung der Access Points ab. Die erzielbare Reichweite einer Funkzelle ist von der Datenrate abhängig, hierbei gilt, je höher die Datenrate, desto geringer ist die Fläche, die durch einen Access Point beziehungsweise eine Funkzelle versorgt werden kann. Die richtige Platzierung der Access Points ist notwendig, um eine lückenlose Ausleuchtung eines Gebäudes zu erzielen und Funklöcher zu vermeiden. Hierbei gilt es, die Access Points so zu platzieren, dass sich deren Funkzellen geringfügig überlappen. Eine lückenlose Ausleuchtung kann durch eine hohe Dichte von Access Points sichergestellt werden. Jedoch stößt man hierbei, gerade im 2,4-GHz-Frequenzband, schnell an die Grenze der verfügbaren Kanäle, denn im 2,4-GHz-Band stehen nur 3 Kanäle zur Verfügung, die sich ohne gegenseitige Beeinflussung überlappen dürfen (siehe Abschnitt 3.3.5). Abhilfe hierbei können Antennen bieten, die die Reichweite und versorgte Fläche einer Funkzelle erheblich erhöhen können, sodass weniger Funkzellen benötigt werden. Des Weiteren können Antennen dazu genutzt werden, Richtfunkstrecken über größere Distanzen zwischen Gebäuden zu realisieren. Hierdurch lassen sich via WLAN Netzwerkanbindungen zwischen verschiedenen Gebäuden einrichten, die sich durch geringe laufende Betriebskosten auszeichnen. Antennen sind auf jeden Fall das Thema, wenn es um die praktische und professionelle Umsetzung von WLANs geht. Es ist notwendig die verschiedenen Antennentypen zu kennen, um deren Einsatzgebiete und die gesetzlichen Rahmenbedingungen beim Einsatz berücksichtigen zu können. Das folgende Kapitel widmet sich deshalb ausführlich der Antennentechnik, die im WLAN-Bereich Anwendung findet, und liefert einen detaillierten Einblick in die physikalischen Größen bezie- Antennentechnik

2 290 hungsweise Parameter der Antennen. Ebenso wird der praktische Einsatz der Antennen durchleuchtet. 6.1 Grundlagen der drahtlosen Kommunikation Wellentypwandler Trägerfrequenz Wellentypen Drahtlose Kommunikation oder Datenaustausch basiert auf der Übertragung elektromagnetischer Wellen, die sich frei im Raum ausbreiten können. Dazu wandeln die Antennen auf der Seite des Senders die leitungsgeführten Wellen in eine Freiraumwelle um. Auf der Seite des Empfängers wird von den Antennen ein Teil der Freiraumwelle wieder in eine leitungsgeführte Welle umgewandelt. Deshalb werden Antennen auch oft als Wellentypwandler bezeichnet. Dabei geht es darum, einen möglichst großen Teil der vom Sender abgestrahlten Leistung zum Empfänger zu übertragen. Antennen strahlen also entweder elektromagnetische Energie ab oder nehmen elektromagnetische Energie auf. Hierbei wird allerdings die Nutzinformation nicht direkt umgewandelt, sondern vorher auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert. Die spezielle Ausführung einer Antenne hängt im Wesentlichen von der Höhe der Trägerfrequenz und der gewünschten beziehungsweise notwendigen Abstrahl- oder Richtcharakteristik einer Antenne ab. In der Nachrichtentechnik verwendet man in Abhängigkeit von der gewünschten Reichweite verschiedene Trägerfrequenzen, die bestimmte Wellenlängen hervorrufen, deren Wellen durch unterschiedliche physikalische Gesetzmäßigkeiten und Ausbreitungscharakteristiken geprägt sind. Wie Sie bereits den vorigen Kapiteln entnehmen konnten, arbeiten WLAN-Lösungen entweder im 2,4-GHzoder 5-GHz-Frequenzband. Die zu diesen Frequenzbändern gehörenden Wellenformen entsprechen der Ultrakurzwelle, die sich als Sichtwelle ausbreitet und Distanzen von wenigen hundert Metern bis Kilometer überbrücken kann. Generell gilt, dass bei der Ultrakurzwelle die besten Sende-/Empfangsverhältnisse vorliegen, wenn zwischen Sender und Empfänger eine Sicht besteht, wobei man in diesem Fall von einer quasioptischen Sichtverbindung spricht. 6.2 Antennenprinzip Antennenprinzip Jede WLAN-Komponente verfügt über eine interne oder externe Antenne, die für die erzielbare Reichweite maßgebend ist. Der Grundbaustein einer Antenne stellt einem Parallelschwingkreis dar, in dem die Energie zwischen Spule und Kondensator hin- und herpendelt. Ver-

3 6.2 Antennenprinzip 291 kleinert man die Spule auf eine Windung und zieht die Platten des Kondensators so weit auseinander, dass sich die Kondensatorplatten an den Enden des Leiters beziehungsweise der Spule befinden, so erhält man einen offenen Schwingkreis, der die Grundform jeder Antenne darstellt. Der Strom erzeugt dabei um die Antenne ein ringförmiges Magnetfeld und die Spannung ein elektrisches Feld zwischen den Enden der Antenne. Beide Felder werden im Raum abgestrahlt, wobei die magnetischen und elektrischen Wechselfelder sich einander senkrecht durchdringen und die elektromagnetische Strahlung einer Antenne bilden. Da sich die elektromagnetische Strahlung von der Antenne wegbewegt, bezeichnet man die elektromagnetischen Felder als elektromagnetische Wellen. Für den Aufbau eines offenen Schwingkreises kann man anstelle der unteren Kondensatorplatte die Erde verwenden und anstelle der oberen Kondensatorplatte einen ausgestreckten Draht. Für die höheren Frequenzen muss man letztendlich die Induktivität und Kapazität verkleinern. Die Verkleinerung der Induktivität und Kapazität erzielt man, indem man zu einem aufgebogenen und gestreckten Zweidrahtleiter übergeht, der in der Mitte eine Möglichkeit zur Energiezufuhr (Senden) beziehungsweise Abnahme (Empfangen) besitzt. Dieser Punkt wird zum Anschluss des Antennenkabels verwendet, da an dieser Stelle der Strom am größten und die Spannung am niedrigsten ist. Die auseinander gebogenen Enden des Zweidrahtleiters bilden letztendlich die Kondensatorplatten, die eine geringe Kapazität aufweisen. Diese Form der Antenne bezeichnet man im Fachjargon als Dipol. Für den Fall, dass ein Sender leitungsgeführte Hochfrequenzwellen in einen Zweidrahtleiter schickt, lässt sich das Prinzip des Dipols folgendermaßen veranschaulichen: Offener Schwingkreis Dipolprinzip Zwischen den Drähten des Zweidrahtleiters bildet sich ein pulsierendes elektrisches Feld, das sich jedoch von den Leitungen nicht lösen kann. Durch das einseitige Auseinanderbiegen der Leitungsenden verlängern sich die elektrischen Feldlinien, wobei diese im rechten Winkel zu den Leitungen stehen. Sobald die Drähte im rechten Winkel aufgebogen sind, haben die Feldlinien eine Länge erreicht, die ein Ablösen der Feldlinien erlauben, wobei die Länge der beiden senkrechten Leitungen der halben Wellenlänge des hochfrequenten Signals entsprechen. Parallel zu dem elektrischen Feld, das durch die Spannung gebildet wird, entsteht durch den Strom auch ein magnetisches Feld. Die Wellenablösung erfolgt durch die permanente Wechselwirkung von elektri-

4 292 scher in magnetische Energie und umgekehrt. Somit strahlt der aufgebogene Zweidrahtleiter elektromagnetische Wellen ab. Eine Wandlung zwischen der leitungsgeführten Welle und einer Freiraumwelle ist somit gegeben. Abbildung 6 1 zeigt den Übergang vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis, der durch das Auseinanderbiegen eines Zweidrahtleiters entsteht und dem Grundprinzip eines λ/2-dipols entspricht. Abb. 6 1 Übergang zum offenen Schwingkreis und Entstehung eines λ/2-dipols Sender Sender Zweidrahtleitung elektr. Feld elektrisches Feld Sender elektrisches Feld λ / 2 λ/4-antennen Damit die elektromagnetischen Wellen abgestrahlt werden, muss bei einem Dipol die Länge der beiden Drahtstücke der halben Wellenlänge (λ/2) entsprechen bei 2,4 GHz entspricht dies in etwa 6,14 cm und bei 5 GHz in etwa 2,75 cm. λ/2-antennen entsprechen primär den stationären Antennen. Im mobilen Bereich kommen alternativ auch λ/4-antennen zum Einsatz, da diese eine geringe Länge haben. λ/4-antennen entsprechen so genannten Groundplane-Antennen, die eine leitende Ebene als elektrisches Gegengewicht benötigten, damit sie die notwendige Länge aufweisen und funktionsfähig sind. Die λ/4-antennen können beispielsweise auf Fahrzeugdächern montiert werden, in diesem Fall entspricht das Fahrzeugdach dem Gegengewicht. Steht keine Metallfläche zur Verfügung, so muss die notwendige Fläche über eine geeignete metallische Antennenhalterung nachgebildet werden. Für die Fläche gilt, dass diese in X- und Y-Achse minimal λ/4 entsprechen muss. Als Faustformel sollte man die Höhe der λ/4-antennen nehmen und eine Fläche vorsehen, die entsteht, wenn man die Antenne quasi in alle Richtungen umfallen lässt.

5 6.3 Antennenparameter Antennenparameter Die Eigenschaften einer Antenne werden durch eine Vielzahl von Parametern oder Charakteristika beschrieben. Im Wesentlichen erfolgt die Beschreibung einer Antenne durch die: Antennenparameter Impedanz VSWR/Rückflussdämpfung Polarisation Strahlungsdiagramme Halbwertsbreite Antennengewinn Vor-Rück-Verhältnis. Wichtig bei der Betrachtung von Antennen ist die Tatsache, dass für die passiven Antennen das Reziprozitätsgesetz gilt. Dies bedeutet, dass eine wechselseitige Beziehung zwischen dem Sende- und Empfangsfall einer passiven Antenne vorliegt. Die Antenne kann demnach zum Senden und Empfangen gleichermaßen verwendet werden, da sich im Sende- und Empfangsfall die charakteristischen Eigenschaften beziehungsweise Kenngrößen der passiven Antenne nicht ändern. Demnach kann man bereits eine Reichweitensteigerung erzielen, wenn man nur an dem Access Point eine externe Antenne mit besserer Abstrahlcharakteristik anschließt und nicht an den WLAN-Stationen. Die Antenne sorgt dafür, dass die Leistung in einer bevorzugten Richtung abgestrahlt wird und weiter entfernte WLAN-Stationen das Signal noch empfangen können. Zudem kann der Access Point aus der bevorzugten Richtung besser empfangen, also schwächere Signale noch fehlerfrei auswerten. Als passive Antennen werden Antennenanordnungen betrachtet, bei denen keine nichtlinearen und nichtreziproken Bauelemente enthalten sind, wie beispielsweise Verstärker oder Ferrite. Im WLAN-Bereich werden allgemein passive Antennen eingesetzt. Die folgenden Betrachtungen beziehen sich deshalb vorwiegend auf passive Antennen Impedanz Der frequenzabhängige Widerstand wird über die Impedanz angegeben. WLAN-Komponenten weisen eine Impedanz von 50 Ohm auf. Die Impedanz von Antenne, Ein- und Ausgang der Sende-/Empfangsstufe und der verwendeten Antennenkabel müssen gleich sein, da Unterschiede in der Impedanz zu einer Fehlanpassung führen. Eine Fehlanpassung hat zur Folge, dass ein Teil des eingespeisten Signals wieder reflektiert wird und die Einspeisung der Antenne nicht mit voller Leistung erfolgt. Impedanz

6 VSWR/Rückflussdämpfung VSWR-Wert Rückflussdämpfung In der Praxis kann die Impedanz nur bei einer bestimmten Frequenz korrekt eingehalten werden, da bei einer breitbandigen Nutzung der Antenne zwangsläufig immer eine Fehlanpassung vorliegt, die zu einem gewissen Grad an Reflexionen führt. Inwieweit die reelle Impedanz von der Nenngröße abweicht, wird über den Parameter VSWR beschrieben. VSWR steht für Voltage Standing Wave Ratio und beschreibt das so genannte Stehwellenverhältnis. Ein VSWR-Wert von 1,8 bedeutet beispielsweise bei einer 50-Ohm-Antenne, dass der Wirkanteil der komplexen Impedanz einen Minimalwert von 27,7 Ohm (50 Ohm 1,8) und einen Maximalwert von 90 Ohm (50 Ohm 1,8) annehmen kann. Eine Antenne wird allgemein als Breitbandantenne klassifiziert, wenn VSWR den Wert von 2,0 nicht überschreitet. Typische VSWR-Werte liegen bei WLAN-Antennen zwischen 1,3 und 2,0. Durch die mit dem VSWR-Wert beschriebene Fehlanpassung kann die vom Sender geschickte Leistung nicht ungehindert in die Antenne fließen und abgestrahlt werden. Ein Teil der Leistung wird an der Antenne reflektiert und läuft zum Sender zurück. Die hinlaufende und rücklaufende Leistung bilden eine stehende Welle, die ein Spannungsmaxima (U max ) und ein Spannungsminima (U min ) aufweisen. Das Verhältnis s=u max /U min bildet wiederum den VSWR-Wert. Anstelle des VSWR betrachtet man heute auch oft die Fehlanpassung von Antennen über die Rückflussdämpfung. Grundlage für die Rückflussdämpfung ist der Reflexionsfaktor, der das Spannungsverhältnis zwischen der rücklaufenden und vorlaufenden Welle (r = U R /U V ) beschreibt. Der Reflexionsfaktor steht über die Gleichung r = (s - 1)/(s + 1) mit der Angabe des VSWR-Wertes im Zusammenhang. Die Rückflussdämpfung ergibt sich aus a r [db] = -20 log r Polarisation Polarisation Die Polarisation beschreibt, wie die elektrischen Feldlinien von der Antenne abgestrahlt werden. Generell unterscheidet man zwischen linearer und zirkularer Polarisation. Man spricht von einer linearen Polarisation, wenn das E-Feld einer elektromagnetischen Welle immer in eine Raumrichtung zeigt. Bei der linearen Polarisation wird zwischen der vertikalen und der horizontalen Polarisation unterschieden, wobei in Erdnähe die Erde als Bezug genommen wird. Demnach verlaufen die elektrischen Feldlinien bei einer horizontalen Polarisation parallel zur Erdoberfläche und bei der vertikalen Polarisation stehen die elektrischen Feldlinien lotrecht zur Erdoberfläche. Im WLAN-

7 6.3 Antennenparameter 295 Bereich verwendet man vorwiegend Antennen, die eine lineare vertikale Polarisation aufweisen. Demnach ist die elektrische Feldrichtung vertikal und die magnetische Feldrichtung waagerecht ausgerichtet. Der elektrische Feldvektor schwingt quasi auf einer Geraden und ändert mit Voranschreiten der Welle periodisch seinen Betrag, wobei entlang der Geraden zeit- und ortsabhängige Stellen auftreten, an denen der elektrische Feldvektor den Wert 0 aufweist. Bei der zirkularen Polarisation ist hingegen die Richtung der elektrischen Feldlinien nicht fixiert, sondern verläuft kontinuierlich in Kreisform. Je nach Umlaufsinn unterscheidet man hierbei die rechtsdrehende und linksdrehende Polarisation. Eine zirkulare Polarisation lässt sich mit zwei senkrecht zueinander linear polarisierenden Wellenfeldern erzeugen, wenn diese die gleiche Amplitude und eine Phasenverschiebung von 90 aufweisen. Der elektrische Feldvektor weist dann einen konstanten Betrag auf und rotiert spiralförmig um den Ausbreitungsvektor, sodass die Feldvektoren zu keiner Zeit und an keinem Ort den Wert 0 aufweisen. Bei den korrespondierenden Antennen ist es wichtig, dass die Polarisation möglichst exakt aufeinander ausgerichtet ist, damit keine Polarisationsdämpfung auftritt. Sollte eine Antenne vertikal und die andere Antenne horizontal ausgerichtet sein, kann dies zu einer zusätzlichen Dämpfung von mehr als 20 db führen. Es kann auch vorkommen, dass Funkwellen einer vertikal ausgerichteten Antenne im Laufe der Ausbreitung durch Beugung, Reflexionen und Streuung ihre Polarisation ändern. Dies betrifft in der Regel jedoch nur einen Teil des Funksignals, wodurch beim Empfänger Teile des Signals mit verschiedenen Polarisationen eintreffen. Dies kann bis zu einem gewissen Grad durch die Diversity-Funktion ausgeglichen werden (siehe Abschnitt 6.5.4). Neben der richtigen Ausrichtung der korrespondierenden Antennen ist die Auswahl der Polarisation entscheidend, damit Polarisationsverluste vermieden oder möglichst gering gehalten werden. Eventuell ist die zirkular polarisierende Antenne der linear polarisierenden vorzuziehen. In der Regel kann man sagen, dass die Vorteile einer zirkular polarisierenden Antenne besonders zum Vorschein kommen, wenn die Umgebungsbedingungen besonders schlecht sind. Des Weiteren bietet der Einsatz von zirkular polarisierenden Antennen den Vorteil, dass die Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger keine Bedeutung mehr hat und bei Unterschieden kaum schlechtere Werte zu erwarten sind. Zirkulare Polarisation Diversity-Funktion Polarisationsdämpfung

8 Antennengewinn Winkelsegment Antennengewinn Neben Rundstrahlantennen, die ihre Leistung in allen Richtungen annähernd gleich abstrahlen, gibt es Gewinnrundstrahler oder Richtantennen mit mehr oder weniger ausgeprägten Vorzugsrichtungen. Je nach Ausführung einer Antenne strahlt diese die Leistung bevorzugt in eine bestimmte Richtung oder ein Winkelsegment ab, beziehungsweise wird die Energie in einem bestimmten Winkelsegment besonders gut empfangen. Die Abstrahl- oder Empfangscharakteristik einer Antenne wird grafisch in Richt- oder Strahlungsdiagrammen beschrieben, aber auch durch den Antennengewinn. Dabei werden die Richt- oder Strahlungsdiagramme in einer horizontalen und vertikalen Ebene getrennt dargestellt (siehe Abb. 6 2). Parallel zur Betrachtung des bevorzugten Winkelsegmentes wird die Richtfunkcharakteristik einer Antenne über den Antennengewinn beschrieben. Bei der Angabe des Antennengewinns gibt es jedoch oft falsche Vorstellungen, die durch den Teilbegriff Gewinn entstehen. Denn der Antennengewinn beschreibt keinen Leistungsgewinn im herkömmlichen Sinne, sondern stellt eine rein theoretische Größe dar. Über die Angabe des Antennengewinns wird angegeben, in welcher Höhe die Antenne im bevorzugten Winkelsegment ihre Leistung abgibt beziehungsweise aufnimmt. Dabei stellt man einen Vergleich zu einem isotropen Kugelstrahler her und beschreibt, wie viel Leistung man diesem zufügen muss, damit er dieselbe Strahlungsleistung in Vorzugsrichtung abgibt. Bei einem isotropen Kugelstrahler handelt es sich um eine in der Realität nicht existierende verlustlose Antenne, die die elektromagnetische Leistung in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt. Für den Empfangsfall ist der Antennengewinn definiert als Verhältnis der in Hauptstrahlrichtung empfangenen Leistung zur Empfangsleistung des isotropen Kugelstrahlers. Um darzustellen, dass bei der Angabe des Antennengewinns der isotrope Kugelstrahler als Vergleich zugrunde gelegt wird, gibt man den Antennengewinn in dbi (db isotrop) an, anstelle von db.

9 6.3 Antennenparameter 297 Für die detaillierte Betrachtung des Antennengewinns gilt folgende Festlegung. Strahlt eine Antenne mit dem Antennengewinn (G S ) die Sendeleistung (P S ) ab, dann ergibt sich die Leistungsflussdichte S in Abhängigkeit von der Sendeleistung nach der Gleichung S = P S G S /(4 π d²). In dieser Gleichung entspricht das Produkt P S G S dem so genannten Equivalent Isotropically Radiated Power, kurz EIRP. EIRP entspricht der Leistung, die ein fiktiver Kugelstrahler (Gs = 1) abstrahlen müsste, um am Betrachtungspunkt dieselbe Leistungsflussdichte hervorzurufen. Die Leistungsflussdichte S kann wiederum durch eine Antenne empfangen werden, wobei sich die Leistung P E = S A E entnehmen lässt. A E entspricht hierbei der Wirkfläche der Antenne, die sich aus A E = λ² P S /(4 π d)² G E ergibt. Hierbei kann die maximale Leistung entnommen werden, wenn bei der Antenne eine Anpassung von Leistung und Polarisation vorhanden ist. Für P E ergibt sich P E = λ² P S /(4 π d)² G S G E. Daraus lässt sich die Übertragungsdämpfung im freien Raum (Freiraumdämpfung), im engl. Free Space Loss, kurz FSL, ableiten. Für diese realen Betrachtungen können jedoch alle Gesetzmäßigkeiten nur als Bezugsdaten herangezogen werden, da atmosphärische Effekte und Einflüsse aus der Umgebung die Bedingungen für die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen beeinflussen. Die Phänomene verursachen in der Regel eine zusätzliche Dämpfung, die auf Reflexionen, Beugung und/oder Brechungen zurückzuführen ist. EIRP In der Nachrichtentechnik gibt es auch andere Bereiche, beispielsweise den Bereich der Fernsehantennen, bei denen nicht mit einem isotropen Kugelstrahler verglichen wird, sondern mit einem Halbwellendipol. In diesem Fall wird für die Angabe des Antennengewinns die Einheit dbd (db Dipol) verwendet. Zwischen der Wertangabe in dbi und dbd kann eine Umrechnung erfolgen, indem man zu der dbd-angabe 2,15 db dazu addiert, wodurch man eine Angabe in dbi erhält. Beispielsweise haben Richtfunkantennen im WLAN-Bereich einen typischen Antennengewinn von 14 dbi. Dieser Wert sagt aus, dass die Richtfunkantennen die Leistung in Vorzugsrichtung mit dem 25,11-fachen Wert gegenüber einem isotropen Kugelstrahler abstrahlt. dbi und dbd Strahlungsdiagramme Die Richt- oder Strahlungsdiagramme werden in der Regel grafisch in kreisförmigen Diagrammen dargestellt, wobei die horizontale und vertikale Ebene getrennt abgebildet werden. Das jeweils Kreisäußere kennzeichnet dabei die maximal abgestrahlte Leistung der Antenne, während zur Kreismitte hin der relative winkelabhängige Abfall der abgestrahlten Leistung in Dezibel angegeben wird. Das Beispiel in Abbildung 6 2 zeigt eine Omni-Antenne mit Gewinn, die ihre Leistung auf der horizontalen Ebene gleichförmig abstrahlt und in der vertika- Richt- und Strahlungsdiagramme

10 298 len Ebene eine Richtwirkung aufweist, wobei sie einen Öffnungswinkel von 180 hat. Abb. 6 2 Vertikale und horizontale Strahlungsdiagramme einer Antenne Die Betrachtung zwischen Strahlungsdiagramm und Reichweitensteigerung muss auf der jeweils anderen Ebene erfolgen. Ist die abgestrahlte Leistung auf vertikaler Ebene gestaucht, verfügt die Antenne auf dieser Ebene über ausgeprägte Signalkeulen. So wird horizontal eine Reichweitensteigerung erzielt. Die Reichweitensteigerung kann natürlich zusätzlich durch eine Stauchung auf beiden Ebenen gesteigert werden. Alternativ zu der Darstellung in Kreisdiagrammen gibt es noch die grafische Darstellung des Strahlungsdiagramms in einem normalen XY-Koordinatensystem. Hierbei wird auf der Abszisse die Gradzahl dargestellt und auf der Ordinate die Leistung (siehe Abb. 6 3). Abb. 6 3 Strahlungsdiagramm als XY-Koordinatensystem Nebenzipfel In der Praxis wird man jedoch feststellen, dass sich bei den meisten Strahlungsdiagrammen keine tatsächlichen Leistungswerte entnehmen lassen, da entsprechende Beschriftungen fehlen. Jedoch bieten diese Strahlungsdiagramme dennoch eine wertvolle Information, da sie eine grafische Darstellung über die bevorzugte Abstrahlcharakteristik einer Antenne liefern. Zudem liefern die Strahlungsdiagramme Informationen über die Ausprägung der Nebenzipfel (siehe Abschnitt 6.4.3).

11 6.3 Antennenparameter 299 Die eigentliche Darstellung der Messergebnisse einer Antenne erfolgt durch ein 3D-Diagramm, von dem später die kreisförmigen oder XY-Strahlungsdiagramme abgeleitet werden. Das 3D-Diagramm stellt die Sendeleistung in x-y-z-achse dar, das Ergebnis ist eine Art Wolke, wobei die Intensität der Strahlungsleistung in unterschiedlichen Farben dargestellt wird (siehe Abb. 6 4). Die Antennenhersteller publizieren in der Regel die 3D-Messdiagramme nicht in ihren Datenblättern. 3D-Messdiagramm Abb D-Messdiagramm Halbwertsbreite Der Antennengewinn steht in direktem Zusammenhang mit dem Öffnungswinkel der Antennen. Über den Öffnungswinkel wird das Winkelsegment beschrieben, über das die Antenne ihre Leistung bevorzugt abgibt. Je höher die Richtfunkcharakteristik und damit verbunden der Antennengewinn ist, desto kleiner ist der Öffnungswinkel. Der Öffnungswinkel wird dabei im Horizontalen- und Vertikalenstrahlungsdiagramm an dem Punkt festgelegt, an dem die Leistung gegenüber dem Maximum auf die Hälfte (-3 db) abgesunken ist. Da der Öffnungswinkel an dem Punkt bestimmt wird, an dem die Leistung auf die Hälfte abgefallen ist, spricht man im Fachjargon auch von der so genannten Halbwertsbreite oder von der 3-dB-Breite. Halbwertsbreite

12 Vor-Rück-Verhältnis Vor-Rück-Verhältnis Bei Richtfunkantennen ist noch die Ausprägung der Nebenkeulen oder Nebenzipfel interessant. Vom Antennendiagramm wird eine möglichst starke Unterdrückung der Nebenzipfel erwartet, die in seitlicher Richtung und in Rückwärtsrichtung ausgeprägt sind, da hierdurch die Störung und Beeinflussung fremder Funkfelder gering gehalten werden kann. Die Nebenkeulen werden in einem bestimmten Winkelbereich, über die Dämpfung der Nebenkeulen relativ zum Hauptkeulenmaximum, als Nebenkeulendämpfung oder Nebenzipfeldämpfung beschrieben. Die Nebenkeulendämpfung des rückwertigen Winkelbereichs, bezogen auf die Hauptkeule, wird als Vor-Rück-Verhältnis (engl. Frontto-Back-Ratio) bezeichnet. Ist mit einer Reflexionsstörung aus der rückwertigen Richtung der Antenne zu rechnen, so werden Richtfunkantennen mit einem großen Vor-Rück-Verhältnis bevorzugt eingesetzt, da die rückwertigen Keulen klein ausgeprägt sind. Typische Werte für das Vor- Rück-Verhältnis bei WLAN-Antennen liegen bei 8 bis 20 db. 6.4 Reichweiten von Richtfunkstrecken Reichweitenbetrachtung Betrachtungsfaktoren Welche Reichweiten beziehungsweise Reichweitensteigerungen man mit Antennen erzielen kann, wird in den folgenden Abschnitten als Beispiel anhand einer Richtfunkstrecke betrachtet. Die dargestellten Betrachtungen können größtenteils auf jeden Antennentyp angewendet werden. Wenn es darum geht, Richtfunkstrecken über größere Distanzen umzusetzen, wird am häufigsten nach den realisierbaren Reichweiten gefragt. Die richtige Beantwortung dieser Frage kann oftmals nicht pauschal erfolgen, denn sie ist von vielen Faktoren abhängig. Die erzielbare Reichweite einer Richtfunkstrecke ist im Wesentlichen von folgenden Parametern beziehungsweise Faktoren abhängig: Sendeleistung Antennengewinn Antennendiagramm Freiraumdämpfung Fresnel-Zone Erdkrümmung Witterungseinflüsse Empfängerrauschzahl Notwendiges Signal-Rausch-Verhältnis Verluste auf Antennenkabel und Verbindungskomponenten Position und Ausrichtung der Antennen Gesetzliche Bestimmungen