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1 Wissenswertes über das RAD-ISM-24-Funksystem INTERFACE Anwenderhinweis 1 Einleitung Mit dem Wireless-Produktprogramm RAD-ISM-24- von Phoenix Contact können analoge und digitale Sensorsignale aufgenommen und sicher per Funk übertragen werden. Damit steht dem Planer und Anwender eine sehr einfache Übertragungstechnik für industrielle Einsatzgebiete zur Verfügung. Signale, deren Erfassung bisher nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich war, werden einfach und schnell erfasst. Ob im unidirektionalen oder bidirektionalen System, stets verfügt der Anwender über eine robuste und zuverlässige Funkverbindung Trusted Wireless. PHOENIX CONTACT - 6/ Unidirektionales Funksystem Das unidirektionale Funksystem verfügt über eine einfache, aber sichere drahtlose Signalübertragung. Lizenz- und anmeldefrei bietet sich dem Anwender eine neue Alternative der Signalübermittlung. Das System kann zwei digitale Signale (5 V... 3 V) und ein analoges Stromsignal (4 ma... 2 ma) von A nach B übertragen. Im Set sind neben dem Sender und dem Empfänger auch zwei Standardantennen enthalten. Gewinn- und Richtantennen sind als Zubehör erhältlich. 1.2 Bidirektionales Funksystem Das bidirektionale Funksystem bietet eine drahtlose Signalübertragung in beide Richtungen. Mit den Transceivern lassen sich jeweils zwei digitale Signale (5 V... 3 V) und ein analoges Stromsignal (4 ma... 2 ma) übertragen. Über den integrierten Busfuß können Erweiterungsmodule schnell und einfach angereiht werden. Mit den Erweiterungsmodulen für je vier analoge Signale oder acht digitale Signale kann das System auf die speziellen Anforderungen der Applikation angepasst werden. Stellen Sie sicher, dass Sie immer mit der aktuellen Dokumentation arbeiten. Diese steht unter der Adresse zum Download bereit de PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG Blomberg Germany 1 Phone: +49-() Fax: +49-()

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Unidirektionales Funksystem Bidirektionales Funksystem Grundlagen Dezibel (db) Pegel (dbm) Antennengewinn (dbi) Ideale Funkstrecke Reichweiten Fresnel-Zone Reale Funkstrecke Freiraumdämpfung Einflussfaktoren Beispiele aus der Praxis Antennen und Zubehör Auswahlkriterien für Antennen Rundstrahlantenne mit 2,1 dbi Gewinn Rundstrahlantenne mit 3 dbi Gewinn Rundstrahlantenne mit 9 dbi Gewinn Panel-Richtantenne mit 8 dbi Gewinn Parabolantenne mit 19 dbi Gewinn Antennensplitter-Sets Spezielle Systemkonfigurationen Leitungseigenschaften Effektive Sendestärke Systemrechnung Rechenbeispiele Diagramme Planung und Umsetzung von Funkstrecken Theoretische Planung Umsetzung der Funkstrecke Glossar de PHOENIX CONTACT 2

3 2 Grundlagen 2.1 Dezibel (db) Die mathematische Funktion db (Dezibel) gibt das Verhältnis zweier logarithmierter Werte an. Es ist eine Vereinfachung, in Dezibel umzurechnen, da man mit den logarithmierten Werten einfacher rechnen kann. In der Funktechnik werden sehr kleine Größen wie die Empfängerempfindlichkeit betrachtet, die sich in der Größenordnung Picowatt oder Nanovolt bewegen. Demgegenüber stehen Sendeleistungen bis hin zu mehreren Kilowatt. Anstatt diese Werte mit hohen Potenzen mühsam zu multiplizieren oder zu dividieren und um die zusammenhängende Betrachtung zu erleichtern, werden diese Werte logarithmiert, um die logarithmierten Werte einfach addieren oder subtrahieren zu können. Beispiel: log (x. b y) = logb x + logb y log (1. 1 1) = log1 1 + log1 1 =1+2=3 log log 1 1 =log1 1-log1 1=2-1= Pegel (dbm) Werden Werte zu festen Bezugsgrößen ins Verhältnis gesetzt, spricht man von einem Pegel. Für feste Bezugsgrößen (z. B. 1 mw, siehe unten angegebenes Beispiel) wird dem Dezibel ein entsprechender Buchstabe angehängt (hier m) und das Dezibel wandelt sich von einer dimensionslosen Größe zu einer echten Einheit. Beispiel: 1( ) 1 mw Pegel = 1. P log in dbm 1mW in dbm x ( ) y ( ) = log x - log y b b b Veranschaulichte Darstellung: Eine Erhöhung des Wertes um 3 db bedeutet eine Verdopplung z. B. der Leistung: 16 db ( )dB = = 4fach Umrechnung von [dbm] in die Einheit [W] 1 dbm = 1 1 mw = 1 mw 2 dbm = 1 1 mw = 1 mw 3 dbm = 1 1 mw = 1 W Erst bei 4facher Leistung (+6 db) verdoppelt sich die Reichweite (bei Sichtverbindung). Dementsprechend halbiert sich die Reichweite bei halber Leistung (-6 db). 2.3 Antennengewinn (dbi) Der dbi-wert gibt an, wieviel db Gewinn die Antenne bezogen auf den isotropen Rund- oder Kugelstrahler hat. Der isotrope Rundstrahler ist die ideale Antenne, die eine kugelförmige Richtcharakteristik hat. Er existiert nur in der Theorie, da eine reale Antenne nie nur aus einem Punkt bestehen kann und immer eine räumliche Ausdehnung und Form besitzt. In der Realität werden daher Halb- oder Viertelwellen-Dipole verwendet. Bild 1 Isotroper Rundstrahler (Öffnungswinkel: 3, Gewinn: db) Pegelwert Bezugsgröße dbm 1 mw dbd Dipol dbi isotroper Rundstrahler dbµv 1 µv dbµa 1µA Veränderung Auswirkung +1 db 1fach +7 db 5fach +3 db 2fach -3 db 1/2fach Bild 2 Halbwellen-Dipol (Öffnungswinkel: 78, Gewinn: 2,14 db) de PHOENIX CONTACT 3

4 3 Ideale Funkstrecke Die ideale Funkstrecke, d. h. die direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger, ist nicht immer zu realisieren. In den Applikationen ist oft mit Hindernissen zu rechnen, die den Funkkanal beeinflussen. 3.1 Reichweiten Eine Angabe von Reichweiten ist aufgrund der unterschiedlichen Einflussfaktoren nur sehr schwer möglich. Auf der Basis von praktischen Tests können folgende Richtwerte genannt werden, die in der jeweiligen Applikation deutlich über- oder unterschritten werden können: Distanz bei Verwendung einer Standardantenne in Maschinenhallen: 5 m bis 1 m Distanz bei Verwendung einer Standardantenne außerhalb von Gebäuden: 5 m bis 3 m Verwendung einer gerichteten Antenne (Gewinnantenne): bis zu 3 m In Ausnahmefällen bei zwingender Sichtverbindung: bis zu 1 km 3.2 Fresnel-Zone Für eine optimale Funkverbindung ist nicht nur die Sichtverbindung erforderlich, sondern es muss sich auch die sogenannte Fresnel-Zone ausbilden können (Bild 4). Die Fresnel-Zone ist eine zeppelinförmige Zone, deren Radius die minimale Antennenmasthöhe bestimmt (Bild 3). Konsequenz: Wird die Ausbreitung der Fresnel-Zone nicht beachtet (z. B. in einem Bergbauschacht) oder ragen Objekte wie Häuser oder Bäume in die Fresnel-Zone, wird die Funkstrecke dementsprechend bedämpft (Bild 5). Berechnung: Der Durchmesser der Fresnel-Zone wird folgendermaßen berechnet: R =,5. (. D) m/s = =,125 m = 12,5 cm bei 2,4 Ghz 2,4 Ghz mit R = Radius der Fresnel-Zone D = Distanz zwischen den Antennen λ = Wellenlänge Beispiel für D = 3 km: Bild 3 Bild 4 Radius der Fresnel-Zone über die Distanz D Radius der Fresnel-Zone 3 R =,5. (. D) =,5.,125 m m = 9,68 m Bild 5 Bedämpfung der Fresnel-Zone (1) Fazit: Bei völlig ebenem Gelände wäre somit die Höhe der Antenne über Grund (Masthöhe) mindestens 9,68 m. Hindernisse (Hügel, Bäume, Häuser, etc.) sind zusätzlich zu berücksichtigen! de PHOENIX CONTACT 4

5 4 Reale Funkstrecke Wenn in einer Anwendung keine Sichtverbindung zu realisieren ist, müssen die Hindernisse und ihre Auswirkungen in der Funkstrecke berücksichtigt werden. 4.1 Freiraumdämpfung Die Freiraumdämpfung beschreibt die Dämpfung, die durch die Luft auf das Funksignal ausgeübt wird. Rechnerischer Hintergrund (Verlust in der Luft): Die Dämpfung im freien Luftraum (Freiraumdämpfung) wird wie folgt berechnet: Freiraumdämpfung = 32, log(f ) + 2. log(d ) mit f = Sendefrequenz in MHz D = Distanz zwischen den Antennen in km Beispiel für D = 3 km bei f = 24 MHz: Die Freiraumdämpfung geht später in die Systemberechnung ein (siehe Effektive Sendestärke auf Seite 13). MHz 32, log(24) + 2. log(3) = 19,5 db km 4.2 Einflussfaktoren Die reale Funkstrecke besitzt neben der Freiraumdämpfung noch verschiedene Einflussfaktoren, die sich auf die Funkstrecke auswirken: Streuung, Beugungen und Reflektion sind Störungen, die beim Auftreffen des Funksignals auf Hindernisse entstehen. Sie führen zur sogenannten Mehrwegeausbreitung. Streuung Bei der Streuung des Funksignals (z. B. an einem Baum) wird das Funksignal in viele Richtungen gestreut. Während ein Baum ohne Blätter noch fast alle Signale durchlässt, streut sie ein Baum mit Blattwerk erheblich. Die Blattoberflächen lenken das Funksignal in alle möglichen Richtungen ab. Bild 6 Streuung an einer rauen Oberfläche Beugung Bei der Beugung des Funksignals z. B. an Kanten von Hindernissen wird das Signal um die Kante gebrochen. Dies ist man mit der Brechung des Lichts in einem Kristall vergleichbar, bei dem das Licht auch an den Kanten gebrochen wird und somit seine Richtung verändert. Bild 7 Beugung an einer Kante 12626A A de PHOENIX CONTACT 5

6 Reflektion Bei der Reflektion an einer glatten metallischen Oberfläche wird fast das komplette Funksignal im gleichen Winkel reflektiert. Die Reflektion kann sich unter Umständen in einer Applikation positiv auswirken (z. B. bei fehlender Sichtverbindung). Weiterhin ist auch der Winkel in dem Sender und Empfänger zueinander stehen zu beachten (siehe Bild 1). Je nach Winkel müssen die Funkwellen mehr oder weniger Material durchdringen. Bild 8 Reflektion an einer metallischen Oberfläche Durchdringung Die Bauart von Wänden spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle so haben z. B. hohle Leichtbauwände, mit Alu-kaschierter Dämmwolle, Zwischendecken mit Paneelen aus Metall oder Kohlefaser, Bleiglas, Isolationsglas (Thermopen) oder Glas mit Metallbeschichtung und Stahlmobiliar negative Auswirkungen auf die Funkstrecke. Außerdem haben Brandschutzwände, Aufzugsschächte und Treppenhäuser eine starke Dämpfwirkung. Jedes zu durchdringende Material hat eine verschieden starke Dämpfung. Alle Angaben sind nur typische Werte und dienen als Orientierung. Hindernis Dünne Mauer Holzwand Ziegelmauer Betonmauer Betondecke Aufzug 12626A3 Typische Dämpfung bei 2,4 GHz 2 db bis 5 db 5 db 6 db bis 12 db 1 db bis 2 db 2 db 2 db bis 3 db Hohe Dämpfung Bild 1 Empfänger Effektive Wandstärke 2 cm Effektive Wandstärke cm Sender Winkel von Sender und Empfänger Funkschatten Durch undurchdringbare Hindernisse in der Funkstrecke können durch den sogenannten Funkschatten die Übergabe stören. Der Funkschatten eines Metallblocks verhält sich wie ein Schatten der Sonne (siehe Bild 11). Befindet sich der Empfänger im Funkschatten, können ihn keine direkten Funkwellen erreichen, sondern er kann nur Reflektionen oder gebeugte Wellen empfangen (siehe Abschnitte Streuung, Beugung und Reflektion ). Geringe Dämpfung Sender 12626A A4 Bild 9 Abschwächung der Funkwellen bei der Durchdringung eines Körpers (Wand) Funkschatten Metall Empfänger 12626A6 Bild 11 Funkschatten de PHOENIX CONTACT 6

7 Beeinflussung der Funkstrecke durch das Wetter Niederschläge wie Schnee, Regen oder Hagel haben im 2,4-GHz-Bereich nur wenig Auswirkungen auf das Funksignal. Starker Regen beeinflusst das Funksignal zum Beispiel nur ganz minimal. Bei einer Niederschlagsmenge von 5 l pro m²/h (entspricht einem Wolkenbruch) tritt bei einer Frequenz von 2,4 GHz eine Dämpfung von etwa,2 db/km auf. Bild 12 Richtantenne, z. B. RAD-ISM-24-ANT-PAN-8- (Art.-Nr ) Beeinflussung der Funkstrecke durch starken Wind Starker Wind beeinflusst zwar nicht das Funksignal, stellt aber hohe Anforderungen an die Befestigung der Antenne. Besonders bei der Verwendung von gerichteten Antennen mit einem kleinen Öffnungswinkel ist darauf zu achten, dass die Antenne nicht vom Wind verschoben werden kann. Wird die Antenne um 1 cm von ihrer ursprünglichen Position abgedrückt, kann dies bei einer langen Übertragungsstrecke einen teilweisen Verlust des Funksignals zur Folge haben. Achten Sie also auf eine feste Montage, um eine Störung der Funkverbindung zu verhindern. Rundstrahlantenne, z. B. RAD-ISM-24-ANT-OMNI-2-1 (Art.-Nr ) de PHOENIX CONTACT 7

8 4.3 Beispiele aus der Praxis Für Hindernisse in der Übertragungsstrecke können keine Rechengrundlagen angegeben werden, da die jeweiligen Hindernisse und Applikationen zu verschieden sind. Alle nachfolgenden Praxisbeispiele ergeben nur Richtwerte und sind nicht auf andere Applikationen übertragbar. Sie sollen allgemein ein Gefühl dafür vermitteln, welche Umgebungen mehr oder weniger stark dämpfen. 5 Antennen und Zubehör Alle in diesem Punkt aufgeführten Antennentypen sind im Zubehörprogramm von Phoenix Contact erhältlich. Die folgende Auflistung soll lediglich einen Überblick verschaffen. Informationen zu Antennen und Zubehör finden Sie unter Büsche Der Busch in Bild 13 ist ein typisches Hindernis aus dicht belaubtem Buschwerk. In unserem Test wurde das Funksignal durch den 2 m breiten Busch gesendet und dabei mit -15 db gedämpft. Bild 13 Busch mit einer Dämpfung von ca. -15 db Wald Der Wald in der folgenden Abbildung ist ein typisches Hindernis aus dichtem Unterholz (Stammdurchmesser 5 cm bis 2 cm). In unserem Test wurde das Funksignal durch 25 m Wald gesendet und dabei mit -4 db gedämpft. 5.1 Auswahlkriterien für Antennen Zur Auswahl der Antenne können folgende Kriterien herangezogen werden: Anwendungen mit geringer Reichweite und direkter Sichtverbindung (ohne Hindernisse): λ/4-dipol-antenne (im Lieferumfang des bidirektionalen und unidirektionalen Funksystems enthalten) Mobile Anwendungen mit größerer Reichweite: große Rundstrahlantenne (vertikalen Öffnungswinkel beachten) Statische Anwendungen mit größerer Reichweite: Richtantenne (kleiner horizontaler Öffnungswinkel) Bild 14 Wald mit einer Dämpfung von ca. -4 db de PHOENIX CONTACT 8

9 5.2 Rundstrahlantenne mit 2,1 dbi Gewinn 5.3 Rundstrahlantenne mit 3 dbi Gewinn Die kleine Rundstrahlantenne RAD-ISM-24-ANT-OMNI- 2-1 (Artikel-Nr ) ist eine λ/4-dipol-antenne mit einem Antennengewinn von 2,1 dbi und einem Öffnungswinkel von 75 vertikal und 3 horizontal. -15 Bild horizontal Richtcharakteristik Rundstrahlantenne vertikal - Die robusten Rundstrahlantennen mit Vandalenschutz RAD-ISM-24-ANT-VAN-... (Artikel-Nr (MCX- Anschluss) und (SMA-Anschluss)) sind überall dort einsetzbar, wo einfache Rundstrahlantennen der potenziellen Gefahr durch mutwillige Zerstörung ausgesetzt sind. Der Antennengewinn beträgt 3 dbi, der Öffnungswinkel ist 85 vertikal und 3 horizontal. Außerdem verfügt die Antenne über einen Downtilt von 2. Bild 16 Richtcharakteristik Rundstrahlantenne mit Vandalenschutz horizontal vertikal de PHOENIX CONTACT 9

10 5.4 Rundstrahlantenne mit 9 dbi Gewinn 5.5 Panel-Richtantenne mit 8 dbi Gewinn Die große Rundstrahlantenne RAD-ISM-24-ANT-OMNI- 9- (Artikel-Nr ) kann bei mobilen Anwendungen eingesetzt werden. Der Antennengewinn beträgt 9 dbi, der Öffnungswinkel ist 15 vertikal und 3 horizontal. -15 Bild horizontal Richtcharakteristik Rundstrahlantenne vertikal - Die Panel-Richtantenne RAD-ISM-24-ANT-PAN-8- (Artikel-Nr ) findet ihre Anwendung bei Punkt-zu- Punkt-Übertragungen mit großer Reichweite. Der Antennengewinn beträgt 8 dbi, der Öffnungswinkel ist 7 vertikal und 75 horizontal. Bild 18 9 horizontal Richtcharakteristik Panel-Richtantenne vertikal de PHOENIX CONTACT 1

11 5.6 Parabolantenne mit 19 dbi Gewinn Die Parabolantenne RAD-ISM-24-ANT-PAR-19- (Artikel-Nr ) hat eine Verstärkung von 19 dbi. Sie kann zur Überbrückung sehr großer Reichweiten eingesetzt werden. Der Öffnungswinkel ist 11 vertikal und 17 horizontal. Die Parabolantenne darf an einem unidirektionalen Sender und an den bidirektionalen Transceivern nur in Verbindung mit dem 15-m-Antennenkabel RAD-CAB-EF393-15M eingesetzt werden, da sonst der maximal zulässige Wert der abgestrahlten Leistung überschritten wird. Bild horizontal - 12 Richtcharakteristik Parabolantenne vertikal Antennensplitter-Sets Bei einer Anwendung mit mehreren Empfängern in einem Schaltschrank können durch einen Antennensplitter eine oder mehrere Antennen eingespart werden. Der RAD-ISM-24-SPL-4-SMA 1 (Artikel-Nr ) besitzt Anschlüsse vom Typ SMA und wird mit zusätzlichen Abschlusswiderständen 2 ausgeliefert. An der SMA- Buchse kann die Panel-Richtantenne direkt angeschlossen werden. Um die Omni-Rundstrahlantenne anzuschließen, benötigen Sie den mitgelieferten Adapter 3. Bild 2 Antennensplitter-Set, 4fach Die Diagramme in Bild 21 zeigen die Dämpfung des Antennensplitters. Die rote Linie (links) zeigt die Dämpfung vom Ausgang zum Eingang. Die blaue Linie (rechts) zeigt die Dämpfung vom Eingang zum Ausgang. Die gesamte Dämpfung des Splitters beträgt bei einer Frequenz von 2,4 GHz rund -6 db pro Pfad. 1 Eingang Bild 21 2 Ausgang 3 Dämpfung des 4fach-Antennensplitter-Sets de PHOENIX CONTACT 11

12 Anwendungsbeispiele für die Antennensplitter-Sets Ausgang Sender Eingang Sender Bild 22 Antennensplitter-Set, 2fach Für eine Repeater-Applikation ist die große Omni-Rundstrahlantenne geeignet. Wenn die Sende-/Empfangseigenschaften dieser Antenne nicht ausreichend sind, ist der Einsatz des 2fach-Antennensplitter-Sets RAD-ISM-24-SPL- 2-SMA (Artikel-Nr ) empfehlenswert. An ihm lassen sich zwei Panel-Antennen anschließen, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet werden können, um z. B. große Höhenunterschiede zu überbrücken. Die Diagramme in Bild 23 zeigen die Dämpfung des Antennensplitters. Die rote Linie (links) zeigt die Dämpfung vom Ausgang zum Eingang. Die blaue Linie (rechts) zeigt die Dämpfung vom Eingang zum Ausgang. Die gesamte Dämpfung des Splitters beträgt bei einer Frequenz von 2,4 GHz rund -3 db pro Pfad. Bild 23 Dämpfung des 2fach-Antennensplitter-Sets Empfänger Bild 24 Empfänger Bild 25 Empfänger 12626A16 Anwendungsbeispiel eines 4fach-Antennensplitter-Sets mit zwei Sendern und einer Antenne Sender Empfänger 12626A15 Anwendungsbeispiel eines 2fach-Antennensplitter-Sets mit einem Sender und zwei Antennen (Punkt-Multipunkt) 5.8 Spezielle Systemkonfigurationen Bei Parallelbetrieb von mehreren unidirektionalen Systemen, bei denen sich Sender und Empfänger oder mehrere Transceiver in unmittelbarer Nähe zueinander befinden (z. B. im Schaltschrank), muss ein gewisser Abstand zwischen den Antennen eingehalten werden, da es sonst zu einer gegenseitigen Beeinflussung kommen kann. Antenne 1 Antenne 2 Abstand RAD-ISM-24- RAD-ISM-24- ANT-... ANT PAN PAN-8- > 12 cm...-omni omni-9- > 1 cm...-omni omni-2-1 > cm...-pan omni-9- > 3 cm...-pan omni-2-1 > 3 cm...-omni omni-2-1 > cm de PHOENIX CONTACT 12

13 6 Leitungseigenschaften 7 Effektive Sendestärke Die Verbindung vom Funkmodul zur Antenne sollte so kurz wie möglich gehalten werden. Jedes Verlängerungskabel und jedes Pigtail (Verbindungskabel) hat eine Dämpfung zur Folge. Die typische Dämpfung der von Phoenix Contact angebotenen Antennenverlängerungskabel und Pigtails liegt bei: RAD-CAB-EF RAD-CAB-EF RAD-PIG-EF ,5 db/m bei 2,4 GHz,9 db/m bei 2,4 GHz 1,5 db/m bei 2,4 GHz Dies bedeutet bei einem 1 m langen Verlängerungskabel RAD-CAB-EF393-1M einen Verlust von 5 db. Die Stecker haben eine typische Dämpfung von,2 db, d. h. pro Verlängerung oder Pigtail beträgt der Dämpfungswert,4 db + Kabellänge. Beispiel: Bei einem Pigtail RAD-PIG-EF mit 1 m Kabel und zwei Steckern ergibt sich ein Dämpfungswert von -1,9 db. EF142 EF393 Die effektive Sendestärke wird auch als EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) angegeben. Der EIRP-Wert gibt an, mit welcher Sendeleistung ein isotroper Strahler betrieben werden muss, um die gleiche Leistungsdichte zu erzielen wie eine bündelnde Richtantenne in Hauptsenderichtung. 7.1 Systemrechnung Rechenbeispiele Berechnungsgrundlage: EIRP = P S - D KS + G AS P = P S - D KS + G AS - D L + G AE - D KE mit P S = Leistung des Senders in dbm D KS = Verluste des Senderkabels in db G AS = Gewinn der Sendeantenne in dbi D L = Dämpfung der Luft (Freiraumdämpfung) in db G AE = Gewinn der Empfangsantenne in dbi D KE = Dämpfung des Antennenkabels am Empfänger in db P = Ankommende Leistung beim Empfänger in dbm Si = Empfängerempfindlichkeit in dbm Beispiel (siehe Bild 27 auf Seite 14): Gegeben sind: Frequenz f 2,4 GHz Sendeleistung P S +1 dbm (1 mw) Sende- und Empfangskabel -,5 db/m (D KS und D KE ), 3 m Kabel vom Typ EF393 2 Stecker -,4 db 1 Überspannungsschutz -,4 db 1 Pigtail (Länge 1 m, mit Steckern) -1,9 db -4,2 db pro Seite Antennengewinne (G AS und G AE +8 dbi pro Seite von Sende- und Empfangsantenne) Übertragungsstrecke 3km (Sichtverbindung) Empfindlichkeit (Empfängerempfindlichkeit -11 db Si) EF316 Bild 26 Antennenverlängerungskabel und Pigtails de PHOENIX CONTACT 13

14 EIRP = P S - D KS + G AS = 1 dbm - 4,2 db + 8 dbi = 13,8 dbm D L = 32,4 + 2 log(f MHz ) + 2 log(r km ) = 32,4 + 2 log(24) + 2 log(3) = 19,5 db P = EIRP - D L + G AE - D KE = 13,8 dbm - 19,5 db + 8 dbi - 4,2 db = 91,9 dbm Fazit Da die Verluste die Empfängerempfindlichkeit Si von -11 db nicht unterschreiten, sondern mit -91,9 dbm eine entsprechende Reserve haben, ist die angestrebte Funkverbindung rechnerisch möglich. G D AS KS = +8 dbi = -4,2 db P = 1 dbm S Fresnel-Zone D = -19,5 db L EIRP = 13,8 dbm G D AE KE = +8 dbi = -4,2 db P = -91,9 db = RSSI = ca. 2,4 V Si=-11dB 12626A7 Bild 27 Beispielanwendung de PHOENIX CONTACT 14

15 7.2 Diagramme Durch das RSSI-Signal (Received Signal Strength Indication) lässt sich die Qualität des Funkkanals feststellen. Je höher der Gleichspannungswert an der RSSI Buchse, desto besser ist die Verbindung. Zone 1, also ein Spannungswert von,75 V bis 1,25 V, bedeutet, dass keine Verbindung besteht. Zone 2 (1,75 V bis 2, V) bedeutet eine schwache Verbindung und in Zone 3 (2, V bis 3,5 V) besteht eine gute Verbindung. Der Verlauf ab 3,5 V ist nur für das unidirektionale System gültig. RSSI [V] 5 4,5 4,75 4 4,25 3, ,75 3 3,25 2,5 2,75 2 2,25 1,5 1,75 1 1,25,5, signal loss (-db) Bild RSSI-Diagramm = keine Verbindung = schwache Verbindung = gute Verbindung 8 Planung und Umsetzung von Funkstrecken Bei der Planung von Funkstrecken über größere Distanzen kann eine topografische Landkarte hilfreich sein, um die Entfernung zu bestimmen Höhenunterschieden zu erkennen. GPS-Geräte sind hierfür besonders geeignet. Sie können Höhenunterschiede darstellen, anhand von Wegpunkten Entfernungen messen und bei der späteren Ausrichtung der Antennen als Richtungsanzeiger dienen. 8.1 Theoretische Planung Fragen, die bei der theoretischen Planung zu klären sind: Welche Signale sollen übertragen werden? Zwischen welchen Punkten soll übertragen werden? Welche Distanz liegt zwischen den Punkten? Gibt es topografische oder bauliche Hindernisse? Können diese umgangen werden (Masterhöhung oder Repeater)? Bei der Auswertung aller Daten kann eine Berechnung wie auf Seite 13 beschrieben helfen, eine Aussage über die theoretische Realisierbarkeit der Funkstrecke zu treffen. 8.2 Umsetzung der Funkstrecke Vor dem Kauf ist ein praktischer Test ratsam, um die theoretischen Ergebnisse und ihre möglichen Abweichungen in der Praxis zu prüfen. Phoenix Contact bietet hier einen kostenlosen Leihservice an. Ausrichtung der Antennen: Bei der Ausrichtung der Antennen ist zunächst eine grobe Ausrichtung vorzunehmen. Hier kommen Hilfsmittel wie topografische Karten, GPS oder Kompass zum Einsatz. Sonst kann vor allem bei Funkstrecken ohne direkten Sichtkontakt schnell der Überblick über das Gelände verloren gehen und somit der Ausrichtungspunkt aus den Augen geraten. War die Grobausrichtung erfolgreich, kann mit Hilfe der RSSI-Anzeige eine genaue Ausrichtung vorgenommen werden. Bei der Ausrichtung müssen immer beide Antennen aufeinander ausgerichtet werden de PHOENIX CONTACT 15

16 9 Glossar Downtilt Der Downtilt (Antennen-Neigungswinkel) gibt die Abwärtsneigung der Richtcharakteristik einer Antenne an. EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) Gibt die Sendeleistung an, mit der eine ungerichtete Antenne in alle Richtungen (isotrop) senden müsste, um die gleiche abgestrahlte Leistung einer Richtantenne in ihrer Hauptsenderichtung zu erreichen. EF316 (ENVIROFLEX) Antennenkabeltyp mit folgenden Eigenschaften: schwer entflammbar halogenfrei höhere Flexibilität als RG-Kabel ISM-Band (Industrial, Scientific, and Medical Band) Frequenzbereiche für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen in Deutschland in den folgenden Bereichen: 6,765 MHz... 6,795 MHz 13,553 MHz... 13,567 MHz 26,957 MHz... 27,283 MHz 433,5 MHz ,79 MHz 868 MHz MHz 2,4 GHz... 2,4835 GHz 5,725 GHz... 5,875 GHz 24, GHz... 24,25 GHz 61, GHz... 61,5 GHz 122 GHz GHz 244 GHz GHz MCX (MICROAX) Mikrominiatur-HF-Koaxialsteckverbinder mit Einrastkupplung. N (Navy Connector) Koaxialsteckverbinder mit Schraubkupplung. SMA (Sub-Miniature Type A) Subminiatur-Koaxialsteckverbinder mit Schraubkupplung. VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) Das Stehwellenverhältnis ist ein Maß für die Anpassung der Antenne. Eine Fehlanpassung liegt vor, wenn nicht die gesamte Leistung eines Senders abgestrahlt, sondern ein Teil von der Antenne reflektiert wird. Aus der sich zur Antenne hinbewegenden und der reflektierten Welle entsteht eine sogenannte Stehwelle. Das Verhältnis von Spannungsminimum zu Spannungsmaximum dieser Stehwelle ergibt den VSWR-Wert. Das optimale Stehwellenverhältnis liegt bei 1, d. h. die komplette Leistung des Senders wird von der Antenne abgestrahlt. PHOENIX CONTACT 6/26 RG316 (Radio Frequency in Government Specification) Hergestellt gemäß dem Standard 316. RSSI (Received Signal Strength Indication) Ein Gleichspannungswert, dessen Höhe eine Aussage über die Qualität der Funkverbindung liefert de PHOENIX CONTACT 16