Remark: Energy and Power

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Samuel Hofmann
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1 Remark: Energy and Power Force (Newton) 1 m Energy (Joule) 1 sec Power (Watts) Weight: 102 g Gravitation: 9,81 m/s^2 7

2 Remark: Voltage, Current and Power Voltage [U in V] Current [I in A] Power [P in W] Resistance [R in ] 8

3 Randbemerkung: Darstellung von Schwingungen Tafelnotiz 9

4 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung 10

5 Frequenzbereiche für die Kommunikation verdrillte Drähte Koaxialkabel Hohlleiter optische Übertragung 1 Mm 300 Hz 10 km 30 khz 100 m 3 MHz 1 m 300 MHz 10 mm 30 GHz 100 m 3 THz 1 m 300 THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot Sichtbares UV Licht VLF = Very Low Frequency LF = Low Frequency (Langwellen-Radio) MF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio) HF = High Frequency (Kurzwellen-Radio) VHF = Very High Frequency (UKW-Radio) UHF = Ultra High Frequency SHF = Super High Frequency EHF = Extra High Frequency UV = Ultraviolettes Licht 11

6 Frequenzen und Regulierungen Die ITU-R veranstaltet regelmäßig Konferenzen zur Aushandlung und Verwaltung der Frequenzbereiche (WRC, World Radio Conferences) Beispiele für Betriebsfrequenzen im Mobilkommunikationsbereich: Europe USA Japan Cellular Phones Cordless Phones Wireless LANs Others GSM , / , , / , / UMTS (FDD) , UMTS (TDD) , CT , CT DECT IEEE HIPERLAN , RF-Control 27, 128, 418, 433, 868 AMPS, TDMA, CDMA , TDMA, CDMA, GSM , PACS , PACS-UB IEEE , RF-Control 315, 915 PDC , , , PHS JCT IEEE RF-Control 426,

7 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung 13

8 Wirkprinzip einer Antenne Antenne: einzelner oder System von elektrischen Leitern, die Wellenenergie in den Raum befördern oder Wellenenergie aus dem Raum aufnehmen Wiedervorlage: isotropischer Strahler Fläche der Kugel wächst mit der Distanz quadratisch, Gesamtenergie der Welle ist gleichmäßig auf der Fläche verteilt Empfängerantenne nimmt den Energieanteil einer konstanten Fläche auf Energieanteil reduziert sich quadratisch mit wachsender Distanz Achtung ein isotropischer Strahler ist eine idealisierte Antenne. Reale Radioantennen sind nicht isotropisch. Direkt das Gegenbeispiel: ein Stern (z.b. Sonne unseres Sonnensystems) Transmit antenna Receive antenna 1 Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl Receive antenna 2 14

9 Beispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol Leiter Spalt /2 Leiter Schwingkreis Bildquelle: Bildquelle: wiki/dipolantenne 15

Darstellung der Charakteristik einer Antenne durch ihr Richtdiagramm (Englisch: Radiation-Pattern) Beachte: Antennencharakteristik ist bzgl.

10 Darstellung der Charakteristik einer Antenne durch ihr Richtdiagramm (Englisch: Radiation-Pattern) Beachte: Antennencharakteristik ist bzgl. Senden und Empfangen gleich; Richtdiagramm stellt sowohl Sende als auch Empfangscharakteristik einer Antenne dar Bildquelle: wiki/radiation_pattern Beispiel: Richtdiagramm des Hertzschen Dipols y x z x z x 16

11 Größe des Richtdiagramms ist nicht entscheidend Größe des Richtdiagramms stellt relative Leistungsunterschiede für unterschiedliche Richtungen dar Beispiele Unterschied zwischen zwei Richtungen A und B bei isotropischem Strahler? In welche Richtung A sendet ein gerichteter Strahler nur halb so stark wie in Richtung B? 17

12 Definition: Bündelbreite im Englischen: beam width Der Winkel in der die Leistung nur noch die Hälfte der Stärksten Richtung der Antenne Beträgt Beispiel 18

13 Definition: Antennengewinn im Englischen: antenna gain Verhältnis der Ausgabeleistung in eine betrachtete Richtung im Vergleich zur Leistung einer isotropischen Antenne in diese (und alle anderen) Richtungen, die mit derselben Gesamtleisung sendet. (d.h. Gesamtflächen der beiden Richtungsdiagramme von isotropischer und betrachteter sind gleich) Beispiel: was wäre hier der Antennengewinn in die stärkste Richtung? (Achtung: Leistung in eine Richtung angehoben bedeutet zwangsläufig, dass in eine andere Richtung was abgezogen werden muss; Antennengewinn bedeutet nicht Verstärkung der Gesamtleistung) 19

14 Nutzfläche einer Antenne für eine gegebene Richtung (effective-area) Informal: Größe und Form einer Antenne bestimmen dessen effektive Nutzfläche für eine gegebene Richtung Transmit antenna Receive antenna Für eine gegebene Richtung besteht in Abhängigkeit der Wellenlänge zwischen Antennengewinn G und der Nutzfläche A e folgender Zusammenhang: Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl 20

15 Quiz: Richtdiagramm des isotropischen Strahlers? y x z x z x Was ist die Bündelbreite? Was ist der Antennengewinn in eine beliebige Richtung? 21

16 Antennenbeispiel: Beispiel Dipol mit Länge /4 (Marconi- Antenne) /4 Fläche Spiegelt den lambda/4 Strahler (Beispiel: Radioantenne auf dem Autodach) Bildquelle: Jochen Schiller, Mobilkommunikation, 2te überarbeitete Auflage, 2003 Bildquelle: Communication_Systems/Antennas 22

17 Beispiel: Inverted-F Antenna (IFA) bei einem TmoteSky- Knoten Wo ist hier die Antenne? ekannt So eine Antenne nennt man auch PCB-Antenne (Printed- Circuit-Board-Antenne) 23

18 Beispiel: Richtdiagramme aus dem TmoteSky-Datenblatt Horizontale Aufstellung Vertikale Aufstellung Bildquelle der Richtdiagramme: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006) 24

19 Beispiel: Parabolantenne y y Fokus x x Leitgerade (Directrix) Gleiche Länge Parabol-Konstruktion Reflektionsverhalten 25

20 Beispiel: Richtdiagramm einer Parabolantenne y y z x z x 26

21 Bündelbreiten von Parabolantennen Betrachtete Frequenz 12GHz Antennendurchmesser (m) Bündelbreite (in Grad) 0,5 3,5 0,75 2,33 1,0 1,75 1,5 1,166 2,0 0,875 2,5 0,7 5,0 0,35 Parabolantennen haben immer eine Bündelbreite >0, da der Fokus in der Praxis kein idealisierter Punkt ist; Beobachtung: je größer desto besser Nach der Quelle: R. Freeman, Radio Systems Design for Telecommunications, Wiley,

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