Antennenanlagen. 2004, Thomas Barmetler Stand: Kontakt:

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1 Antennenanlagen 2004, Thomas Barmetler Stand: Kontakt:

2 Einführung Drahtlose Informationsübermittlung erdgebundene (terrestrische) Übertragung Satellitenübertragung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen erzeugt und empfangen durch Antennen Seite 2

3 Wellenbereiche Nach den Wellenlängen unterscheidet man verschiedene Wellenbereiche: Bezeichnung Kurzzeichen Frequenzen Langwellenbereich LW 150 khz khz Mittelwellenbereich MW 510 khz khz Kurzwellenbereich KW 3,95 MHz... 26,10 MHz Fernsehbereich I (VHF) F I 47 MHz MHz ltrakurzwellenbereich KW 87,5 MHz MHz Fernsehbereich III (VHF) F III 174 MHz MHz Fernsehbereich IV (HF) F IV 470 MHz MHz Fernsehbereich V (HF) F V 606 MHz MHz Satelliten-Empfangsbereich (SHF) SAT 10,7 GHz... 12,75 GHz VHF = very high frequency : sehr hohe Frequenz HF = ultra high frequency : ultrahohe Frequenz SHF = super high frequency : extrem hohe Frequenz Füllen Sie die Tabelle vollständig aus indem Sie die fehlenden Größen berechnen. Sender Wellenbereich Frequenz Wellenlänge Deutschlandfunk Langwelle (LW) 151 khz Antenne Bayern ltra-kurzwelle (KW) Radio Luxemburg Kurzwelle (KW) 6,12 MHz 3,03m RIAS Berlin B5 aktuell Deutsches Fernsehen (ARD) Deutsches Fernsehen (ZDF) ltra-kurzwelle (KW) ltra-kurzwelle (..) very high frequency (..) ultra high frequency (HF) 89,6 MHz 476,2 MHz 2,84 m 1,42 m Seite 3

4 Antenne als offener Schwingkreis m Informationen drahtlos übertragen zu können bindet man sie an elektromagnetische Wellen. Dazu werden Ton- und Bildsignale in elektrische Schwingungen umgeformt, die man einem Träger mit einer stabilen Frequenz aufprägt. Diesen Vorgang nennt man Modulation. Die elektrische Komponente der abgestrahlten Welle bestimmt die Art ihrer Ausbreitung. Diese erfolgt: Die Elektromagnetischen Wellen breiten sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit aus (c = ). Somit stehen die Länge einer Welle und ihre Frequenz in folgender Beziehung:. Seite 4

5 Die von der Sendeantenne ausgesendete elektromagnetische Welle trifft auf die Empfangsantenne. Diese nimmt einen sehr geringen Teil der Energie aus der Welle auf und wird dadurch zum Schwingen angeregt. Durch das elektromagnetische Feld wird in der Empfangsantenne eine Spannung erzeugt. Die einfachste Antenne ist der. Man kann ihn als offenen Schwingkreis auffassen. Die Abmessungen des Dipols bestimmen die Kapazität C und die Induktivität L des Schwingkreises. Seine Maße legen somit auch die der Antenne fest. Bei dieser Frequenz schwingt, d. h. empfängt die Antenne besonders gut. Für den Empfang von Frequenzen, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Antenne liegen, gilt eine solche Antenne als. Man unterscheidet gestreckte Dipole und Faltdipole. Für den Empfang von KW- und Fernsehsendern verwendet man abgestimmte Dipol-Antennen. Die gewünschte Resonanzfrequenz bestimmt die Länge des Dipols. Der Dipol ist dann auf die Wellenlänge λ abgestimmt, wenn seine Länge beträgt. Eine Dipol-Antenne zum Empfang des Fernsehbereiches III hat bei 200 MHz ihre Resonanzfrequenz. Wie lange ist der Faltdipol? An den Anschlussstellen des Faltdipols liegt die Empfangsspannung. Der Dipol ist damit eine Stromquelle. Ihre geringe Leistung soll sie maximal dem Verbraucher zuführen. Deshalb müssen Antennen in betrieben werden. Der Innenwiderstand der Antenne heißt. Dieser beträgt bei gestreckten Dipolen etwa, bei Faltdipolen ca.. Seite 5

6 Antennen für den terrestrischen Empfang Mehrere Dipole, in geeigneter Weise zueinander angeordnet, lassen eine größere Antennenspannung entstehen, als ein Einzeldipol. Besonders verbreitet ist die. Bei ihr sind dem Empfangsdipol weitere Direktor-Dipole ( ) vorgeschaltet und ein oder mehrere Reflektor-Dipole ( ) nachgeordnet. Die elektromagnetische Welle, die aus der auf die Yagi- Antenne trifft, bewirkt am Empfangsdipol eine. Dreht man die Antenne aus dieser Empfangsrichtung heraus, nimmt die Antennenspannung ab. Sie wird nach einer Drehung um 90. Beim Weiterdrehen in Rückrichtung (180 ) wird eine deutlich Antennenspannung erzeugt als in Hauptempfangsrichtung. Yagi-Antennen liefern eine höhere Antennenspannung als einfache Dipole. Man sagt deshalb: sie haben einen. Dabei vergleicht man ihre Empfangsleistung mit der eines Normaldipols (in Hauptempfangsrichtung). Da die Leistung proportional dem Spannungsquadrat ist, gilt: Dieses Verhältnis, den Gewinn g, gibt man meist als logarithmisches Maß an und versieht es mit der Bezeichnung Bel [B] bzw. mit der in der Praxis üblicheren Bezeichnung DeziBel [db], wobei gilt: 1 B = 10 db. An einem Normaldipol wird eine Antennenspannung von 1 mv gemessen, mit der Richtantenne sind es am selben Standort 4 mv. Wie groß ist der Antennengewinn der Richtantenne? Seite 6

7 Das Richtdiagramm Aus dem Richtdiagramm lassen sich verschiedene Eigenschaften einer Antenne ableiten. So kann man z. B. erkennen, ob sie Strahlung von allen Seiten, oder bevorzugt aus einer bestimmten Richtung empfängt. Nebenstehend ist das Richtdiagramm eines Dipols abgebildet. Dieser liegt auf der 90 /270 Achse. Der Sender sollte aus einfallen um am Antennenfußpunkt (=Antennenanschluß) die Spannung zu erzeugen. Pfeil 2 ist kürzer als Pfeil 1 (die Pfeile gehören nicht zum Diagramm!). Ein Sender, der aus dieser Richtung auf die Antenne trifft erzeut bei sonst gleicher Feldstärke am Antennenfußpunkt eine um den Längenbetrag kleinere Spannung. Nullstelle Als Öffnungswinkel α bezeichnet man den Bereich des Richtdiagramms, in dem die Spannung mindestens (dies entspricht einem Abfall um 3 db) der maximal möglichen Spannung ausmacht. Dem Diagramm ist des weiteren zu entnehmen dass es eine und (hier) einen aufweist. Der (bzw. die) Nebenzipfel sind unerwünscht. Sie führen dazu, dass unter mständen ein anderer auf dem gleichen Kanal arbeitender Sender von der Rückseite auf die Antenne einstrahlt und den Hauptempfangssender stört ( ). Abhilfe schafft in vielen Fällen schon, so dass die Empfangsrichtung des unerwünschten Senders in eine Nullstelle des Empfangsdiagramms gerückt wird. Dabei nimmt meist auch die am Antennenfußpunkt nutzbare Spannung des gewünschten Senders etwas ab. Vielfach ist dies aber in Kauf zu nehmen. Seite 7

8 Logarithmus 1. Grundlagen Logarithmus (logos = Verhältnis, arithmos = Zahl) Wir erinnern uns an die Potenzrechnung: a L = N 10 2 = 100 Dabei ist der Logarithmus von einem Numerus N diejenige Zahl, mit welcher man die Basis a potenzieren muss, um N zu erhalten. (also der Exponent!!) 2. Natürlicher Logarithmus und Zehnerlogarithmus In der Mathematik werden hauptsächlich zwei Basiszahlen verwendet. Oftmals die Basiszahl e; in der Antennentechnik die Zahl 10. Basis e = 2,718 natürlicher Logarithmus Basis 10 Zehner-Logarithmus oder In unserem Beispiel ist die Basis muss mit 2 potenziert werden, um 100 zu erhalten. Die Zahl 2 ist also der Logarithmus zur Basis 10. Folgende Schreibweise ist üblich: L = log N oder L = lg N Überlegen Sie: Mit wie viel muss 10 potenziert werden, um zu erhalten? Mit d. h. der Logarithmus ist Berechnen Sie folgende Logarithmen: lg 1000 = 3, weil 10 3 = 1000 lg 100 = lg 0,1 = lg 10 = lg 0,01 = lg 1 = lg 0,001 = Seite 8

9 Bei Zahlen, mit denen die Rechnung nicht so glatt aufgeht, wie z. B. 10 x = 3 x = 0,4771 (Probe: 10 0,4771 = 3) 10 x = 4 x = 10 x = 25 x = lg 5783 = lg 0,3 = 4. Multiplikation von Potenzzahlen mit gleicher Basis Merke: Potenzzahlen mit gleicher Basis werden multipliziert, indem man ihre Exponenten addiert! = = = = = 10-0, ,5 10 3,2 = Seite 9

10 Aufgaben: 1. Die Spannung am Anfang einer koaxialen Leitung beträgt 1,2 mv. Am Leitungsende werden 480 µv gemessen. Berechnen Sie den Spannungsdämpfungsfaktor. 2. Ein Antennenverstärker speist eine Antennenleitung mit 1,25 mw. Am Leitungsende sind 85 µw verfügbar. Berechnen Sie a) den Leistungsdämpfungsfaktor b) das Leistungsdämpfungsmaß 3. Bei einer Antennenleitung wird mit einem Antennenmessgerät am Leitungsanfang eine Spannung von 1 = 0,6 mv gemessen. Der Spannungsdämpfungsfaktor beträgt 18. Berechnen Sie die Spannung am Ende der Antennenleitung. 4. Am Ende einer 760 m langen Antennenleitung wird eine Spannung von 0,8 mv gemessen. Die Dämpfung der Leitung beträgt 8 db / 100 m. Berechnen Sie die Spannung am Anfang der Antennenleitung. Seite 10

11 5. Ein Antennenstandrohr ragt 1,2 m über die obere Einspannstelle hinaus. Daran ist am obersten Punkt eine Parabolantenne mit einer Windlast von F WP = 420 N montiert. Das zulässige Biegemoment des Antennenstandrohres beträgt 1125 N, das Eigenbiegemoment M R = 34 Nm. a) Berechnen Sie das auftretende Biegemoment M G an der oberen Einspannstelle des Antennenstandrohres. b) Ist die Montage der Parabolantenne an dieser Stelle zulässig? c) In welchem maximalen Abstand l von der oberen Einspannstelle des Antennenstandrohres darf die Parabolantenne montiert werden? 6. Eine Gemeinschaftsantennen-Anlage besteht aus 3 Antennen für den Bereich KW (Stereo-Empfang) sowie die Fernsehbereiche III und V. Die Gesamtdämpfung der Anlage beträgt im KW-Bereich 31 db, im Fernsehbereich III 34 db und im Fernsehbereich V 44 db. Die Verstärkung des Antennenverstärkers beträgt in allen Bereichen 24 db. Welcher Eingangspegel muss je nach Bereich am Verstärker vorhanden sein, damit an der ungünstigsten Steckdose der Mindestpegel vorhanden ist? Seite 11

12 Antennenmontage Die Antennen werden am montiert, das eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen muss. Es sind stets die von den Antennen-Herstellern angebotenen Standrohre zu verwenden. sind nicht geeignet! Die Anordnung der Antennen muss mit bestimmten Sicherheitsabständen erfolgen (siehe Skizze). Die Einspannlänge (Abstand der zwei Montageschellen) muss mindestens des Standrohres betragen. nter Zuhilfenahme der Herstellerangaben ist die nötige mechanische Festigkeit zu ermitteln und danach das entsprechende Standrohr auszuwählen. Dafür müssen insbesondere die, welche durch die befestigten Antennen hervorgerufen werden, berücksichtigt werden. Diese bewirken an der Einspannstelle des Standrohres eine. M b = Biegemoment, das wegen der montierten Antennen auf das Standrohr einwirkt M z = Maximal zulässiges Biegemoment des Standrohres laut Herstellerangabe W = Angegebene Windlast der Antenne laut Herstellerangabe l = Abstand zwischen Einspannstelle des Standrohres bis zur Antenne Seite 12

13 Gegeben sei folgende Tabelle für Schiebemasten nach VDE und DIN: Type ZSD 47 L 2x2 m = 4 m 2x2,5 m = 5 m 2x3 m = 6 m D1/D 2 [mm] 40/48 40/48 40/48 40/48 40/48 40/48 40/60 Güteklasse (Stahl) St 37 St 52 St 37 St 52 St 37 St 52 St 52 Wandstärke im Einspannbereich [mm] 2 2,5 2 2,5 2 2,5 2,5 Zul. Biegemoment *) Nutzlänge 5,0 m ZSD 48 ZSF 47 ZSF 48 ZSH 47 ZSH 48 ZSH 59 4,0 m ,0 m Zul. Biegemoment *) Nutzlänge 5,0 m ,0 m ,0 m *) Das maximale zulässige Moment an der Einspannstelle gilt bei entsprechender Nutzlänge. Die Windlastaufnahme des Rohres ist bereits berücksichtigt. Die kursiven Werte gelten für normale Windbelastung (q = 800 N/m 2 ). Bei höherer Windbelastung (q = 1100 N/m 2 ) sind die reduzierten Werte anzunehmen. Berechnen Sie für nebenstehende Antennenanlage die Biegemomente und über-prüfen Sie mit Hilfe der oberen Tabelle ob der angegebene Mast dem Gesamtbiegemoment standhält. Tragen Sie Ihre Ergebnisse in die Zeichnung ein. Überlegen Sie, warum Satellitenantennen fast nie an einem Mast befestigt werden. Seite 13

14 Satelliten Empfangsanlagen Satelliten empfangen hochfrequente Signale von der Erde. Diese setzen sie um und strahlen die Informationen auf anderen Frequenzen wieder als Rundfunk- und Fernsehprogramme auf die Erde zurück. Damit die empfangenden Antennen (in der Regel ) nicht permanent nachjustiert werden müssen bewegen sich die Satelliten synchron mit der Erdumdrehung. Beobachtet man sie von der Erde aus, so ändern sie ihren Standort nicht, sondern verharren immer am gleichen Punkt (man sagt auch: sie sind ). Deshalb kann die Position des Satelliten auch genau angegeben werden. Sie wird vom Nullmeridian aus gemessen und in Grad Ost bzw. Grad West eingeteilt. m ein möglichst optimales, rauschfreies Signal zu erhalten muss die empfangende Antenne sehr genau auf den sendenden Satelliten ausgerichtet werden. Die Satellitenschüssel kann dazu um das Standrohr gedreht werden (Einstellung des ) und nach oben / unten geneigt werden (Justage der ). Die entsprechenden Winkel können - abhängig vom Standort - dem Azimut-Elevations-Diagramm entnommen werden. Da Satelliten sehr teuer sind versucht man die Ausnutzung zu optimieren. Dazu nutzt man die vorhandenen Sendefrequenzen (10,7 GHz bis 12,75 GHz) doppelt, indem man die abgestrahlten Programme in unterschiedlichen (horizontal und vertikal bzw. links und rechtsdrehend zirkulär) überträgt. Ermitteln Sie zunächst aus nebenstehendem Diagramm auf welchen Azimutbzw. Elevationswinkel eine Parabolantenne in München ausgerichtet werden muss um Fernsehprogramme über ASTRA zu empfangen. Überprüfen Sie ihr Ergebnis mit der Tabelle im Tabellenbuch. Seite 14

15 Aufbau von Satellitenanlagen Satellitenanlagen bestehen aus einer. Außeneinheit: Die vom Satelliten ankommenden Wellenfronten werden in der Regel von einer, oder einer Parabolantenne mit einem Durchmesser von z. B. 90 cm oder 120 cm empfangen. Im der Antenne befindet sich der oder das. Es besteht aus einer, dem, der (auch genannt) und dem Es werden folgende LNB-Typen unterschieden: für den Einzelempfang für den Anschluss von zwei unabhängigen Receivern mit 4 Ausgängen für Mehrteilnehmeranlagen Inneneinheit: Aufgabe der Inneneinheit ist vor allem das Verteilen und die Aufbereitung der Rundfunk- und Fernsehprogramme. Die Signalaufbereitung geschieht dabei durch den oder. Er muss die Bild- und Tonsignale trennen, in ein amplitudenmoduliertes Videosignal umwandeln und das Signalteil des Fernsehgerätes steuern. Der Receiver muss auch Steuersignale an den liefern. Dies geschieht durch mschalten zwischen 13 V und 18 V ( ) bzw. durch Wahl zwischen 0 Hz und 22 khz ( ). Multischalteranlagen: Sie erfordern eine mschaltmatrix, welche die Teilnehmer sternförmig erfasst. Multischalteranlagen ermöglichen den Anschluss von bis zu 20 Antennensteckdosen. Bei allen Verfahren werden die Signale beider Polarisationsebenen, sowie die mschaltung zwischen dem oberen und unteren Frequenzband vom Receiver in das Koaxialkabel eingespeist. Seite 15

16 Einführung Drahtlose Informationsübermittlung erdgebundene (terrestrische) Übertragung Satellitenübertragung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen erzeugt und empfangen durch Antennen Seite 16

17 Wellenbereiche Nach den Wellenlängen unterscheidet man verschiedene Wellenbereiche: Bezeichnung Kurzzeichen Frequenzen Langwellenbereich LW 150 khz khz Mittelwellenbereich MW 510 khz khz Kurzwellenbereich KW 3,95 MHz... 26,10 MHz Fernsehbereich I (VHF) F I 47 MHz MHz ltrakurzwellenbereich KW 87,5 MHz MHz Fernsehbereich III (VHF) F III 174 MHz MHz Fernsehbereich IV (HF) F IV 470 MHz MHz Fernsehbereich V (HF) F V 606 MHz MHz Satelliten-Empfangsbereich (SHF) SAT 10,7 GHz... 12,75 GHz VHF = very high frequency : sehr hohe Frequenz HF = ultra high frequency : ultrahohe Frequenz SHF = super high frequency : extrem hohe Frequenz Füllen Sie die Tabelle vollständig aus indem Sie die fehlenden Größen berechnen Sender Wellenbereich Frequenz Wellenlänge Deutschlandfunk Langwelle (LW) 151 khz 1986,76 m Antenne Bayern ltra-kurzwelle 99 MHz 3,03m (KW) Radio Luxemburg Kurzwelle (KW) 6,12 MHz 49 m RIAS Berlin B5 aktuell Deutsches Fernsehen (ARD) Deutsches Fernsehen (ZDF) ltra-kurzwelle (KW) ltra-kurzwelle (KW) very high frequency (VHF) ultra high frequency (HF) 89,6 MHz 3.35 m 105,7 MHZ 2,84 m 210,7 MHz 1,42 m 476,2 MHz 0.63 m Seite 17

18 Antenne als offener Schwingkreis m Informationen drahtlos übertragen zu können bindet man sie an elektromagnetische Wellen. Dazu werden Ton- und Bildsignale in elektrische Schwingungen umgeformt, die man einem Träger mit einer stabilen Frequenz aufprägt. Diesen Vorgang nennt man Modulation. Die elektrische Komponente der abgestrahlten Welle bestimmt die Art ihrer Ausbreitung. Diese erfolgt: In einer Ebene (horizontal oder vertikal polarisiert) Schraubenförmig (linksdrehend oder rechtsdrehend zirkular polarisiert) Die Elektromagnetischen Wellen breiten sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit aus (c = km/s). Somit stehen die Länge einer Welle und ihre Frequenz in folgender Beziehung: c = f λ. Seite 18

19 Die von der Sendeantenne ausgesendete elektromagnetische Welle trifft auf die Empfangsantenne. Diese nimmt einen sehr geringen Teil der Energie aus der Welle auf und wird dadurch zum Schwingen angeregt. Durch das elektromagnetische Feld wird in der Empfangsantenne eine Spannung erzeugt. Die einfachste Antenne ist der gestreckte Dipol. Man kann ihn als offenen Schwingkreis auffassen. Die Abmessungen des Dipols bestimmen die Kapazität C und die Induktivität L des Schwingkreises. Seine Maße legen somit auch die Resonanzfrequenz der Antenne fest. Bei dieser Frequenz schwingt, d. h. empfängt die Antenne besonders gut. Für den Empfang von Frequenzen, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Antenne liegen, gilt eine solche Antenne als abgestimmt. Man unterscheidet gestreckte Dipole und Faltdipole. Für den Empfang von KW- und Fernsehsendern verwendet man abgestimmte Dipol-Antennen. Die gewünschte Resonanzfrequenz bestimmt die Länge des Dipols. Der Dipol ist dann auf die Wellenlänge λ abgestimmt, wenn seine Länge λ/2 beträgt. Eine Dipol-Antenne zum Empfang des Fernsehbereiches III hat bei 200 MHz ihre Resonanzfrequenz. Wie lange ist der Faltdipol? λ = c f = λ = 0,75 m km/s 200 MHz m/s = /s = 1,5 m An den Anschlussstellen des Faltdipols liegt die Empfangsspannung. Der Dipol ist damit eine Stromquelle. Ihre geringe Leistung soll sie maximal dem Verbraucher zuführen. Deshalb müssen Antennen in Leistungsanpassung betrieben werden. Der Innenwiderstand der Antenne heißt Fußpunktwiderstand. Dieser beträgt bei gestreckten Dipolen etwa 75 Ω, bei Faltdipolen ca. 300 Ω. Seite 19

20 Antennen für den terrestrischen Empfang Mehrere Dipole, in geeigneter Weise zueinander angeordnet, lassen eine größere Antennenspannung entstehen, als ein Einzeldipol. Besonders verbreitet ist die Yagi-Antenne. Bei ihr sind dem Empfangsdipol weitere Direktor-Dipole (Direktoren) vorgeschaltet und ein oder mehrere Reflektor-Dipole (Reflektoren) nachgeordnet. Die elektromagnetische Welle, die aus der Hauptempfangsrichtung auf die Yagi-Antenne trifft, bewirkt am Empfangsdipol eine maximale Antennenspannung. Dreht man die Antenne aus dieser Empfangsrichtung heraus, nimmt die Antennenspannung ab. Sie wird nach einer Drehung um 90 Null. Beim Weiterdrehen in Rückrichtung (180 ) wird eine deutlich geringere Antennenspannung erzeugt als in Hauptempfangsrichtung. Yagi-Antennen liefern eine höhere Antennenspannung als einfache Dipole. Man sagt deshalb: sie haben einen Antennengewinn. Dabei vergleicht man ihre Empfangsleistung mit der eines Normaldipols (in Hauptempfangsrichtung). Da die Leistung proportional dem Spannungsquadrat ist, gilt: P P Richt Dipol = 2 Richt 2 Dipol Dieses Verhältnis, den Gewinn g, gibt man meist als logarithmisches Maß an und versieht es mit der Bezeichnung Bel [B] bzw. mit der in der Praxis üblicheren Bezeichnung DeziBel [db], wobei gilt: 1 B = 10 db. g = lg 2 Richt 2 Dipol P g = lg P B = lg Richt Dipol P B = 10 lg P 2 B = 2 lg Richt Dipol Richt Dipol Richt Dipol db B = 20 lg Richt Dipol db An einem Normaldipol wird eine Antennenspannung von 1 mv gemessen, mit der Richtantenne sind es am selben Standort 4 mv. Wie groß ist der Antennengewinn der Richtantenne? 4 mv g = 20 lg db = 20 0,6 db = 12 db 1mV Seite 20

21 Das Richtdiagramm Aus dem Richtdiagramm lassen sich verschiedene Eigenschaften einer Antenne ableiten. So kann man z. B. erkennen, ob sie Strahlung von allen Seiten, oder bevorzugt aus einer bestimmten Richtung empfängt. Nebenstehend ist das Richtdiagramm eines Dipols abgebildet. Dieser liegt auf der 90 /270 Achse. Der Sender sollte aus 0 einfallen um am Antennenfußpunkt (=Antennenanschluß) die höchste Spannung zu erzeugen. Pfeil 2 ist kürzer als Pfeil 1 (die Pfeile gehören nicht zum Diagramm!). Ein Sender, der aus dieser Richtung auf die Antenne trifft erzeut bei sonst gleicher Feldstärke am Antennenfußpunkt eine um den Längenbetrag kleinere Spannung. Nullstelle Als Öffnungswinkel α bezeichnet man den Bereich des Richtdiagramms, in dem die Spannung mindestens 70,7% (dies entspricht einem Abfall um 3 db) der maximal möglichen Spannung ausmacht. Dem Diagramm ist des weiteren zu entnehmen dass es eine Hauptkeule und (hier) einen Nebenzipfel aufweist. Der (bzw. die) Nebenzipfel sind unerwünscht. Sie führen dazu, dass unter mständen ein anderer auf dem gleichen Kanal arbeitender Sender von der Rückseite auf die Antenne einstrahlt und den Hauptempfangssender stört (Gleichkanalstörung). Abhilfe schafft in vielen Fällen schon eine leichte Drehung der Antenne, so dass die Empfangsrichtung des unerwünschten Senders in eine Nullstelle des Empfangsdiagramms gerückt wird. Dabei nimmt meist auch die am Antennenfußpunkt nutzbare Spannung des gewünschten Senders etwas ab. Vielfach ist dies aber in Kauf zu nehmen. Seite 21

22 Logarithmus 1. Grundlagen Logarithmus (logos = Verhältnis, arithmos = Zahl) Wir erinnern uns an die Potenzrechnung: a L = N 10 2 = 100 Dabei ist der Logarithmus von einem Numerus N diejenige Zahl, mit welcher man die Basis a potenzieren muss, um N zu erhalten. (also der Exponent!!) 2. Natürlicher Logarithmus und Zehnerlogarithmus In der Mathematik werden hauptsächlich zwei Basiszahlen verwendet. Oftmals die Basiszahl e; in der Antennentechnik die Zahl 10. Basis e = 2,718 natürlicher Logarithmus ln Basis 10 Zehner-Logarithmus log oder lg In unserem Beispiel ist die Basis muss mit 2 potenziert werden, um 100 zu erhalten. Die Zahl 2 ist also der Logarithmus zur Basis 10. Folgende Schreibweise ist üblich: L = log N oder L = lg N Überlegen Sie: Mit wie viel muss 10 potenziert werden, um zu erhalten? Mit 4 d. h. der Logarithmus ist 4 Berechnen Sie folgende Logarithmen: lg 1000 = 3, weil 10 3 = 1000 lg 100 = 2 lg 0,1 = -1 lg 10 = 1 lg 0,01 = -2 lg 1 = 0 lg 0,001 = -3 Seite 22

23 Bei Zahlen, mit denen die Rechnung nicht so glatt aufgeht, wie z. B. 10 x = 3 x = 0,4771 (Probe: 10 0,4771 = 3) 10 x = 4 x = 0, x = 25 x = 1,398 lg 5783 = 3,762 lg 0,3 = -0, Multiplikation von Potenzzahlen mit gleicher Basis Merke: Potenzzahlen mit gleicher Basis werden multipliziert, indem man ihre Exponenten addiert! = = = = = , ,5 10 3,2 = 10 7,45 Seite 23

24 Aufgaben: 1. Die Spannung am Anfang einer koaxialen Leitung beträgt 1,2 mv. Am Leitungsende werden 480 µv gemessen. Berechnen Sie den Spannungsdämpfungsfaktor. D = 1 2 = 1,2mV 480µ V = 1,2mV 0,48mV = 2,5 2. Ein Antennenverstärker speist eine Antennenleitung mit 1,25 mw. Am Leitungsende sind 85 µw verfügbar. Berechnen Sie a) den Leistungsdämpfungsfaktor DP = P1 P2 1,25mW = 85µ W = 14,7 b) das Leistungsdämpfungsmaß P1 = 10 lg P2 1,25mW = 10 lg 85µ W = 10 lg14,7 = 11, 67 AP 3. Bei einer Antennenleitung wird mit einem Antennenmessgerät am Leitungsanfang eine Spannung von 1 = 0,6 mv gemessen. Der Spannungsdämpfungsfaktor beträgt 18. Berechnen Sie die Spannung am Ende der Antennenleitung mV D = 2 = = = 0, 03mV 2 D Am Ende einer 760 m langen Antennenleitung wird eine Spannung von 0,8 mv gemessen. Die Dämpfung der Leitung beträgt 8 db / 100 m. Berechnen Sie die Spannung am Anfang der Antennenleitung. db A 8dB = 760m 100m = 60,8dB A = 20 lg = 2 A A 20dB = lg = 0,8mV ,8dB 20dB 10 A 20dB = = 0,8mV ,04 = 877,2mV Seite 24

25 5. Ein Antennenstandrohr ragt 1,2 m über die obere Einspannstelle hinaus. Daran ist am obersten Punkt eine Parabolantenne mit einer Windlast von F WP = 420 N montiert. Das zulässige Biegemoment des Antennenstandrohres beträgt 1125 N, das Eigenbiegemoment M R = 34 Nm. a) Berechnen Sie das auftretende Biegemoment M G an der oberen Einspannstelle des Antennenstandrohres. M G = M R + FWP l P = 34 Nm + 420N 1,2m = 538Nm b) Ist die Montage der Parabolantenne an dieser Stelle zulässig? Ja, zulässig,da M G < M Z (538Nm < 1125Nm) c) In welchem maximalen Abstand l von der oberen Einspannstelle des Antennenstandrohres darf die Parabolantenne montiert werden? l M G M FWP 1125Nm 35Nm = 420N R max = = 2,60m 6. Eine Gemeinschaftsantennen-Anlage besteht aus 3 Antennen für den Bereich KW (Stereo-Empfang) sowie die Fernsehbereiche III und V. Die Gesamtdämpfung der Anlage beträgt im KW-Bereich 31 db, im Fernsehbereich III 34 db und im Fernsehbereich V 44 db. Die Verstärkung des Antennenverstärkers beträgt in allen Bereichen 24 db. Welcher Eingangspegel muss je nach Bereich am Verstärker vorhanden sein, damit an der ungünstigsten Steckdose der Mindestpegel vorhanden ist? Es gilt: Vmin = Ages + L min L + Gesamtdämfpung (A e ges ) + Mindestpegel der Steckdose (L min ) - Eingangspegel Verstärker (L Le = Ages + L min V e ). min = Verstärkung (V) Mindestpegel am Empfänger (aus dem Tabellenbuch S. 268): - KW (Stereo): 50 dbµv - F III: 54 dbµv - F V: 57 dbµv KW : L F III: F V : L L e e e = 31dB + 50dB 24dB = 57dBµ V = 34dB + 54dB 24dB = 64dBµ V = 44dB + 57dB 24dB = 77dBµ V Seite 25

26 Antennenmontage Die Antennen werden am Antennen-Standrohr montiert, das eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen muss. Es sind stets die von den Antennen-Herstellern angebotenen Standrohre zu verwenden. Gas- und Wasserrohre sind nicht geeignet! Die Anordnung der Antennen muss mit bestimmten Sicherheitsabständen erfolgen (siehe Skizze). Die Einspannlänge (Abstand der zwei Montageschellen) muss mindestens 1 / 6 der Gesamtlänge des Standrohres betragen. nter Zuhilfenahme der Herstellerangaben ist die nötige mechanische Festigkeit zu ermitteln und danach das entsprechende Standrohr auszuwählen. Dafür müssen insbesondere die Windlasten, welche durch die befestigten Antennen hervorgerufen werden, berücksichtigt werden. Diese bewirken an der Einspannstelle des Standrohres eine Biegebeanspruchung. M b = W 1 l1 + W2 l2 + W3 l3 M z M b M b = Biegemoment, das wegen der montierten Antennen auf das Standrohr einwirkt M z = Maximal zulässiges Biegemoment des Standrohres laut Herstellerangabe W = Angegebene Windlast der Antenne laut Herstellerangabe l = Abstand zwischen Einspannstelle des Standrohres bis zur Antenne Seite 26

27 Gegeben sei folgende Tabelle für Schiebemasten nach VDE und DIN: Type ZSD 47 L 2x2 m = 4 m 2x2,5 m = 5 m 2x3 m = 6 m D1/D 2 [mm] 40/48 40/48 40/48 40/48 40/48 40/48 40/60 Güteklasse (Stahl) St 37 St 52 St 37 St 52 St 37 St 52 St 52 Wandstärke im Einspannbereich [mm] 2 2,5 2 2,5 2 2,5 2,5 Zul. Biegemoment *) Nutzlänge 5,0 m ZSD 48 ZSF 47 ZSF 48 ZSH 47 ZSH 48 ZSH 59 4,0 m ,0 m Zul. Biegemoment *) Nutzlänge 5,0 m ,0 m ,0 m *) Das maximale zulässige Moment an der Einspannstelle gilt bei entsprechender Nutzlänge. Die Windlastaufnahme des Rohres ist bereits berücksichtigt. Die kursiven Werte gelten für normale Windbelastung (q = 800 N/m 2 ). Bei höherer Windbelastung (q = 1100 N/m 2 ) sind die reduzierten Werte anzunehmen. Berechnen Sie für nebenstehende Antennenanlage die Biegemomente und überprüfen Sie mit Hilfe der oberen Tabelle ob der angegebene Mast dem Gesamtbiegemoment standhält. Tragen Sie Ihre Ergebnisse in die Zeichnung ein. Überlegen Sie, warum Satellitenantennen fast nie an einem Mast befestigt werden. Weil sie eine sehr hohe Wind- Last haben. Seite 27

28 Satelliten Empfangsanlagen Satelliten empfangen hochfrequente Signale von der Erde. Diese setzen sie um und strahlen die Informationen auf anderen Frequenzen wieder als Rundfunk- und Fernsehprogramme auf die Erde zurück. Damit die empfangenden Antennen (in der Regel Parabolantennen) nicht permanent nachjustiert werden müssen bewegen sich die Satelliten synchron mit der Erdumdrehung. Beobachtet man sie von der Erde aus, so ändern sie ihren Standort nicht, sondern verharren immer am gleichen Punkt (man sagt auch: sie sind geostationär). Deshalb kann die Position des Satelliten auch genau angegeben werden. Sie wird vom Nullmeridian aus gemessen und in Grad Ost bzw. Grad West eingeteilt. m ein möglichst optimales, rauschfreies Signal zu erhalten muss die empfangende Antenne sehr genau auf den sendenden Satelliten ausgerichtet werden. Die Satellitenschüssel kann dazu um das Standrohr gedreht werden (Einstellung des Azimuts) und nach oben / unten geneigt werden (Justage der Elevation). Die entsprechenden Winkel können - abhängig vom Standort - dem Azimut-Elevations-Diagramm entnommen werden. Da Satelliten sehr teuer sind versucht man die Ausnutzung zu optimieren. Dazu nutzt man die vorhandenen Sendefrequenzen (10,7 GHz bis 12,75 GHz) doppelt, indem man die abgestrahlten Programme in unterschiedlichen Polarisationsrichtungen oder ebenen (horizontal und vertikal bzw. links und rechtsdrehend zirkulär) überträgt. Ermitteln Sie zunächst aus nebenstehendem Diagramm auf welchen Azimutbzw. Elevationswinkel eine Parabolantenne in München ausgerichtet werden muss um Fernsehprogramme über ASTRA zu empfangen. Überprüfen Sie ihr Ergebnis mit der Tabelle im Tabellenbuch. α Elevation = 34,3 α Azimut = 169,8 Seite 28

29 Aufbau von Satellitenanlagen Satellitenanlagen bestehen aus einer Außen- und einer Inneneinheit. Außeneinheit: Die vom Satelliten ankommenden Wellenfronten werden in der Regel von einer zentral gespeisten, oder einer offset gespeisten Parabolantenne mit einem Durchmesser von z. B. 90 cm oder 120 cm empfangen. Im Brennpunkt der Antenne befindet sich der Empfangskopf oder das Empfangssystem. Es besteht aus einer Hornantenne, dem Bandpassfilter, der Polarisationsweiche (auch Polarizer genannt) und dem Konverter (LNB 1 ). Es werden folgende LNB-Typen unterschieden: Single-LNB für den Einzelempfang Twin-LNB für den Anschluss von zwei unabhängigen Receivern Quatro-LNB mit 4 Ausgängen für Mehrteilnehmeranlagen Inneneinheit: Aufgabe der Inneneinheit ist vor allem das Verteilen und die Aufbereitung der Rundfunk- und Fernsehprogramme. Die Signalaufbereitung geschieht dabei durch den Satelliten-Receiver oder Satelliten-Tuner. Er muss die Bild- und Tonsignale trennen, in ein amplitudenmoduliertes Videosignal umwandeln und das Signalteil des Fernsehgerätes steuern. Der Receiver muss auch Steuersignale an den Konverter (LNB) liefern. Dies geschieht durch mschalten zwischen 13 V und 18 V (Auswahl der Polarisationsebene) bzw. durch Wahl zwischen 0 Hz und 22 khz (mschaltung des Frequenzbandes). Multischalteranlagen: Sie erfordern eine mschaltmatrix, welche die Teilnehmer sternförmig erfasst. Multischalteranlagen ermöglichen den Anschluss von bis zu 20 Antennensteckdosen. Bei allen Verfahren werden die Signale beider Polarisationsebenen, sowie die mschaltung zwischen dem oberen und unteren Frequenzband vom Receiver in das Koaxialkabel eingespeist. 1 LNB = Low noise block converter = geschlossener Konverter mit niedrigem Rauschen Seite 29