Funk Ausbreitungseigenschaften und Antennencharakteristiken

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1 Funk Ausbreitungseigenschaften und Antennencharakteristiken In diesem Praktikum werden alle wichtigen Grundgegebenheiten der Funkübertragung erlebt. 1 Ziele Die wichtigsten Eigenschaften der Funkübertragung werden ersichtlich. Antenneneigenschaften werden messtechnisch erfasst und verglichen. Vor- und Nachteile von linearem und logarithmischem Massstab werden erkannt. Die Reflexion von Funkwellen wird aktiv erlebt. Die Entstehung und Problematik des Mehrwegempfangs wird gemessen und nachvollzogen. 2 Aufbau Alle Versuche und Messungen werden mit dem automatischen Antennenmessplatz durchgeführt. Dabei werden die Messgeräte vom Notebook gesteuert und müssen somit von den Teilnehmern nicht bedient werden. Der Spektrumanalysator zeigt die von der Empfangsantenne empfangene Leistung auf der eingestellten Frequenz an. Die Sendeantenne sendet entsprechend auf der gleichen Frequenz. Eine Welle ist je nach Antennenlage horizontal oder vertikal polarisiert. Z.B. eine vertikal aufgestellte Stabantenne sendet eine vertikal polarisierte Welle aus. Entsprechend müssen Sendeund Empfangsantennen gleich polarisiert aufgestellt sein. Die verwendete Empfangsantenne ist korrekt aufgestellt und vertikal polarisiert, wenn sie zur Sendeantenne zeigt und vertikal gedreht ist. 3 Bedienung der Geräte Einführung Antennenmessplatz Ziel dieses Messplatzes ist das Ausmessen der Strahlungscharakteristik von Antennen. Die Testantenne dreht sich um 360 und sendet dabei kontinuierlich mit einer fixen Sendeleistung und Frequenz. Die feststehende Referenzantenne misst dabei die Empfangsleistung in Funktion des Drehwinkels. Daraus ergibt sich ein Strahlungsdiagramm, welches aussagt, wie stark die Testantenne in unterschiedliche Richtungen abstrahlt. Nachfolgende Abbildung zeigt schematisch den Messaufbau: Michel Tripet Seite 1

2 GPIB GPIB SML03 MicroLYNX RS232 FSP Speisung VDC Der Signalgenerator und der Spektrumanalysator sind via GPIB-Schnittstelle an einen Computer angeschlossen. An diesem ist zusätzlich über die serielle Schnittstelle die Steuerung für den Schrittmotor (MircoLYNX) angeschlossen. Auf dem Computer läuft eine LabView Applikation, mit welcher das ganze System gesteuert und bedient werden kann. Michel Tripet Seite 2

3 Bedienungsanleitung Start Weitere Messungen Grafiken speichern Reset Plot-Farbe Sendefrequenz (MHz) Sendeleistung (dbm) Max (dbm) Min (dbm) Min (db) Startet eine neue Messung Ermöglicht das Hinzufügen einer neuen Messung zu einer Bestehenden. Skalierung der Grafiken kann nicht mehr verändert werden. Speichert die Polarplots als Grafiken ab Löscht alle Grafiken und setzt alle Parameter auf ihre Initialwerte Auswahl der Farbe für die Grafiken (vor Messbeginn festlegen) Frequenz des Signalgenerators für Messung Leistung des Signalgenerators für Messung Nach der Messung kann mit diesen Eingaben die Skalierung der Grafiken angepasst werden, sofern es sich um die erste Messung handelt Beispiel einer Messung: Gewünschte Sendeleistung und Frequenz einstellen Start drücken Michel Tripet Seite 3

4 Warten bis Messung beendet wurde Mit Max(dBm), Min (dbm), Min (db) kann nun die Skalierung der Grafiken angepasst werden Mit Grafiken speichern können die drei grossen Grafiken als JPEG abgespeichert werden Hinzufügen einer Vergleichsmessung: Weitere Messung drücken und neue Plotfarbe auswählen (Skalierung ist nun fix) Start drücken Wenn Messung beendet wurde, kann mit Start eine weitere Messung hinzugefügt werden Ausgangszustand: Reset drücken um alles zurückzusetzen 4 Aufgaben 4.1 Aufgabe 1: Richtdiagramm der Patch-Antenne Nehmen Sie das horizontale Richtdiagramm der vertikal polarisierten Patch-Antenne auf, mit dem automatischen Antennenmessplatz gemäss Bedienungsanleitung. Distanz Sende- und Empfangsantenne ca. 1.5 m; Sendefrequenz 2400 MHz; Sendeleistung 0 dbm. Vergleichen Sie Ihre Messung mit dem Richtdiagramm des Antennendatenblatts. Woher könnten Abweichungen kommen? 4.2 Aufgabe 2: Linearer und logarithmischer Massstab: Bei der Messung der Aufgabe 1 hat das Diagramm rechts unten einen linearen Massstab und alle anderen Diagramme einen logarithmischen Massstab. Was sind die Vor- und Nachteile der beiden Darstellungsarten? 4.3 Aufgabe 3: Richtdiagramm der Patch-Antenne bei falscher Polarisation Nehmen Sie wieder das horizontale Richtdiagramm der vertikal polarisierten Patch-Antenne auf, wobei nun die Empfangsantenne fälschlich horizontal polarisiert sein soll. Interpretieren Sie die Unterschiede zur korrekten Messung. 4.4 Aufgabe 4: Richtdiagramm der Stabantenne und Antennengewinn Nehmen Sie das horizontale Richtdiagramm der vertikal polarisierten Stabantenne (vertikale Position von Sende- und Empfangsantenne) auf mit dem automatischen Antennenmessplatz. Was ist für ein Richtdiagramm zu erwarten? Verifizieren Sie Ihre Erwartung mit dem Datenblatt. Weshalb zeigen bestimmte Diagramme Ihrer Messung etwas anderes an? Wiederholen Sie nun die letzten zwei Messungen, indem Sie zuerst die Patch-Antenne messen und dann im gleichen Diagramm die Messung der Stabantenne aufnehmen. Damit ist nun die Messung der Stabantenne mit der gleichen Skala dargestellt wie diejenige der Patch-Antenne, und die zu erwartende Richtcharakteristik sollte ersichtlich sein und die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Antennen gut zum Ausdruck kommen. Michel Tripet Seite 4

5 Berechnen Sie mit den entsprechenden Angaben aus diesem Richtdiagramm den Antennengewinn der Patch-Antenne bezogen auf die Stabantenne. Vergleichen Sie Ihren Wert mit dem Datenblatt der beiden Antennen. Nehmen Sie das horizontale Richtdiagramm der vertikal polarisierten Stabantenne mit der halben Frequenz auf. Ergibt sich eine andere Richtcharakteristik? Weshalb? Wie können Sie mit diesem Antennenmessplatz das vertikale Richtdiagramm der Stabantenne aufnehmen? Nehmen Sie dieses auf (wieder mit der normalen Frequenz von 2.4 GHz) und vergleichen Sie Ihre Messung mit dem Richtdiagramm des Antennendatenblatts. 4.5 Aufgabe 5: Breitbandantenne Nehmen Sie bei vertikal polarisierter Empfangsantenne für die Breitbandantenne die horizontalen Richtdiagramme in allen möglichen Positionen im gleichen Diagramm auf, und schliessen Sie daraus auf die richtige Position für die Montage der Antenne. Inwiefern verhält sich diese Antenne in der vorgesehenen Position anders als die Patch- Antenne? 4.6 Aufgabe 6: Freiraumdämpfung Verdoppeln Sie die Distanz von ca. 1 m zwischen der Patch-Antenne und der Empfangsantenne. und lesen Sie direkt am Spektrumanalysator die beiden Empfangsleistungen ab. Um wieviele db wird sie kleiner? Verifizieren Sie ihr Ergebnis durch Berechnung. 4.7 Aufgabe 7: Reflexionen Erzeugen Sie Reflexionen mit einer Metallwand (Roll-Panel) hinter der Sendeantenne. Messen und vergleichen Sie das Richtdiagramm der Patch-Antenne mit und ohne reflektierende Wand, und stellen Sie beide Messungen im gleichen Richtdiagramm dar. Ist der Einfluss der Reflexionen ersichtlich? 4.8 Aufgabe 8: Mehrwegempfang Man spricht von Mehrwegempfang, wenn das Sendesignal die Empfangsantenne auf verschiedenen (nicht gleich langen) Wegen erreicht und sich diese Signale somit phasenverschoben überlagern. Erzeugen Sie Reflexionen mit einer Metallwand (Roll-Panel) hinter der Stabantenne als Sendeantenne. Verschieben Sie die Sendeantenne ein wenig in Richtung Empfangsantenne, indem Sie den Antennenständer gegenüber der Rolltischplatte verschieben. Betrachten Sie dabei die Minima und Maxima der Empfangsleistung direkt auf dem Spektrumanalysator. Um welche Distanz müssen Sie die Sendeantenne verschieben zwischen zwei benachbarten Minima und Maxima der Empfangsleistung? Der wievielte Teil einer Wellenlänge ist dies? Wie erklären Sie sich das? Verschieben Sie an Stelle der Sendeantenne den Empfangsantennenständer auf seinem Rolltisch. Sollten Sie nun den gleichen Zusammenhang zwischen dem Verschiebungsabstand und Michel Tripet Seite 5

6 den Minima/Maxima der Empfangsleistung haben wie vorhin? Was zeigen die Messungen? Begründung? Ändern Sie die Sendefrequenz auf 1.2 GHz anstatt 2.4 GHz. Was erwarten Sie betreffend abstand zwischen Minima und Maxima beim verschieben der Sendeantenne im Vergleich zu vorhin? Bestätigt die Messung ihre Erwartung? An Stelle der reflektierenden Metallwand können Sie sich selber als Reflektor einsetzen. Wenn Sie von hinten auf die Sendeantenne zugehen, sehen Sie auf dem Spektrumanalysator die Minima und Maxima. 5 Ausrüstungen und Messgeräte 5.1 Ausrüstung: Antennenmessplatz mit (4er-)Patch-Antenne, (langer) Stabantenne und Breitbandantenne inkl. geöffnete Antennen (Patch und Stab) Doppelmeter Roll-Panel mit Metallwand Rolltisch mit Stuhl als Arbeitsfläche 5.2 Messgeräte des Antennenmessplatzes Laptop Antennendrehstand IBM Thinkpad Sendeantennenständer mit Schrittmotor und Empfangsantennenständer mit Empfangsantenne Speisegerät für Schrittmotor MN Signalgenerator Rhode & Schwarz SML-03 MG Spectrum Analyzer Rhode & Schwarz FSP MA Datenblätter der verwendeten Sendeantennen: Bezeichnung Modell 4er Patch HG2414P (L-Com) Bild Michel Tripet Seite 6

7 Antennentyp Patch Antenne (Array) Frequenz: MHz Gain: 14 dbi Spezifikationen Polarisation: Horizontal oder Vertikal (je nach Montage) Horizontaler Öffnungswinkel: 30 Grad Vertikaler Öffnungswinkel: 30 Grad Aufbau Prinzip Anwendungen Die rechteckigen Metallplatten (Patch) werden mittig auf einer Seite gespiesen, während die Grundfläche auf Masse liegt. Dadurch enstehen elektrische Wecbselfelder zwischen Patch und Grundfläche. 2.4 GHz ISM Band: Wireless LAN, Bluetooth, Public Wireless LAN (Hotspot) Richtdiagramm Bezeichnung Modell Stabantenne lang HGV2404U (L-Com) Michel Tripet Seite 7

8 Bild Frequenz: MHz Gain: 4 dbi Spezifikationen Polarisation: Vertikal Horizontaler Öffnungswinkel: 360 Vertikaler Öffnungswinkel: 50 Funktionsprinzip Anwendungen Antenne wirkt als gestappelte λ/2-dipole 2.4 GHz ISM Band: Wireless LAN, Bluetooth, Public Wireless LAN (Hotspot) Richtdiagramm Michel Tripet Seite 8