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Antennenengineering heute Eine gesamtheitliche System-Betrachtung von Heinz Bolli, HB9KOF

Antennenengineering heute Eine gesamtheitliche System-Betrachtung von Heinz Bolli, HB9KOF Ham Radio Friedrichshafen 26. Juni 2010 Bild: DO1MDE. Thematische Gliederung. 3 Was heisst Engineering? 4 Murphys Gesetze 5 Aktuelle Problemstellung 6 Zielsetzungen 7 Kunden-Aktivität

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Antennenengineering heute Eine gesamtheitliche System-Betrachtung von Heinz Bolli, HB9KOF

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  1. Antennenengineering heute Eine gesamtheitliche System-Betrachtung von Heinz Bolli, HB9KOF Ham Radio Friedrichshafen 26. Juni 2010 Bild: DO1MDE Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  2. Thematische Gliederung 3 Was heisst Engineering? 4 Murphys Gesetze 5 Aktuelle Problemstellung 6 Zielsetzungen 7 Kunden-Aktivität 9 Man hatte also 10 Was lief falsch? 11 Erfolgsfaktoren für sichere Funkverbindungen 12 Die Funkverbindung 14 Ausbreitungswege im HF-Bereich 19 Bodenwelle oder Raumwelle? 20 Frequenzwahl für NVIS-Verbindungen • 21 Übertragungswege und Streckendämpfung • 23 SWTA-Mess- und Simulationsresultate • 35 Übersicht Gesamtsystem Ist • 36 Systembeurteilung • 37 Beurteilung SWTA-Antenne • 39 Bestehendes System - Fazit • Die „richtige“ NVIS-Antenne • Übersicht Gesamtsystem SRA • System mit SRA – Fazit • 44 Ende Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  3. Was heisst Engineering? • Engineering ist ein Prozess. • Unter Engineering versteht man: Die gesamtheitliche Betrachtung einer Problemstellung unter Berücksichtigung aller Aspekte, welche sich im konkreten Fall in irgend einer Weise auswirken können. • Gesamtheitliches Denken bedeutet Systemdenken. • Systemdenken heisst Denken in Prozessen, nicht in Zuständen. • In Systemen finden sich Subsysteme, Subsysteme bestehen aus Komponenten. • In Systemen findet Zusammenwirken (oder eben Prozesse) statt. • Gutes Engineering führt zu optimalen Prozessen durch bestmögliches Zusammenwirken aller Systemelemente und damit zu bestmöglichen Lösungen. • Diese Aussage gilt in funktionaler wie oekonomischer Sicht. • Mangelhaftes Engineering zeitigt oft fatale Folgen Murphys Gesetze. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  4. Murphys Gesetze – Murphys Law Josef Aloysius Murphy, 1918 - 1990 • Um ein Darlehen zu bekommen, muss man erst beweisen, dass man keines braucht... • Alle Verallgemeinerungen sind falsch, auch diese… • Man hat nie Zeit etwas richtig zu machen, aber immer genug, um es nochmals zu tun… • Wenn es mehrere Möglichkeiten gibt, eine Aufgabe zu erledigen und eine davon in einer Katastrophe endet oder sonstwie unerwünschte Konsequenzen nach sich zieht, dann wird es jemand genau diese Möglichkeit wählen. • Wenn etwas schiefgehen kann, dann geht es auch schief… Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  5. Aktuelle Problemstellung • Kunde • Eine Europäische Organisation. • Seine Tätigkeit • Hilfs- und Rettungseinsätze bei Katastrophen jeder Art. • Das Einsatzgebiet • In erster Linie Europa, in zweiter Linie die ganze Welt • Einsatzleitung / Hauptquartier • In Europa, ereignisabhängig aber auch ausserhalb des Heimkontinents • Einsatzgruppen • Mobile Hilfs- und Rettungseinheiten • Kommunikationsbedürfnis • In erster Priorität Verbindungen über >0 bis 200km. • Verbindungszweck • Austausch von Meldungen in Form von Sprache oder Daten. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  6. Zielsetzungen • Was muss erreicht werden? • 1. Priorität • Sichere Verbindungen über kurze Distanzen (>0…200km, ohne optische Sicht) per Sprechfunk (J3E, H3E), Datenfunk (F1B) oder Telegrafie (J2A). • 2. Priorität • Sichere Verbindungen über mittlere Distanzen 200…2000km ohne optische Sicht per Sprechfunk (J3E, H3E), Datenfunk (F1B) oder Telegrafie (J2A). • Fazit • Diese Verbindungsbedürfnisse können nur mit einer Übertragung im MF/HF-Bereich von 2 - 30MHz abgedeckt werden. Zu dieser Erkenntnis gelangte allerdings auch unser Auftraggeber. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  7. Beispielbild HF-Transceiver Kunden-Aktivität Es wurde erst einmal beschafft… … und zwar die folgenden Systemkomponenten: • Der HF-Transceiver CTX-20 • Die Daten: • Frequenzbereich 1.5 bis 30MHz. • Ausgangsleistung an 50Ω-Last: • 20W oder 43dBm bei SWR <2.0 • (mit PA 125W / 51dBm). • Empfänger-Empfindlichkeit an 50Ω-Quelle: 0.65μV / -110.7dBm. • ALE-fähig im Bereich 1.5 bis 30MHz • (ALE = Automatic Link Establishment). Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  8. Und weiter… eine Antenne Beschafft wurde die SWTA-Antenne (SWTA = Single Wire Terminated Antenna). Warum? Weil sie gemäss Aussage des Verkäufers so schön breitbandig ist… Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF Beispielbild HF-Antenne

  9. Man hatte also… • Einen Super-Transceiver… • Eine tolle Antenne, hervorragend angepasst im gesamten HF-Bereich. • SWR überall besser als 2. • Die ganze HF-Power auf die Antenne geführt. • Robustes Material. • Fast nur Freude… • Wenn nur die Verbindungswahrscheinlichkeit höher als bei kaum 25% liegen würde  Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  10. Was lief falsch? • Man beschaffte hervorragende Transceiver. • Dazu gut angepasste Antennen. • Scheinbar fehlte etwas Wesentliches, nämlich: • DAS GESAMTHEITLICHE DENKEN • und damit • DIE UMFASSENDE BETRACHTUNG ALLER FÜR SICHERE FUNKVERBINDUNGEN RELEVANTER ERFOLGSFAKTOREN. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  11. Erfolgsfaktoren für sichere Funkverbindungen • Die aktuelle Problemstellung zeigt die fatalen Folgen, wenn nicht • IN SYSTEMEN gedacht wird. • Wäre dem anders gewesen, hätte man nicht einfach Geräte beschafft, sondern sich auch Gedanken über deren „Wirken“ im Gesamtsystem gemacht. • Doch was ist „das Gesamt-System“ und woraus besteht es? • Das Gesamt-System heisst FUNKVERBINDUNG und besteht aus: • 1. ZWEI Sende- / Empfangsanlagen • 2. ZWEI Antennen und • 3. EINEM Ausbreitungsweg • Es sind also 5 (fünf!) Komponenten in EINE systematische Gesamt-Betrachtung einzubeziehen. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  12. Die Funkverbindung • Nochmals: • Nur eine GESAMTHEITLICHE Sichtweise erlaubt die umfassende Beurteilung einer konkreten Situation. • Nur eine GESAMTHEITLICHE Sichtweise hilft Enttäuschungen zu vermeiden welche dann eintreten, wenn verschiedene Subsysteme zusammenwirken. • Und mag das einzelne Element so gut passen, Murphy wartet… Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  13. Essenzen einer Funk-Verbindung • Betrachten wir die Sache vom Empfänger her: • Eine Verbindung kann nur dann zustande kommen wenn einem Empfänger eine Eingangsleistung angeboten wird, deren Stärke über seiner eigenen Empfindlichkeit liegt. • Die dem Empfänger angebotene Eingangsleistung hängt von ab vom Ge-winn der Empfangsantenne, der Steckendämpfung auf dem Ausbreitungs-weg, dem Gewinn der Sendeantenne und der Ausgangsleistung des Senders. • Alle erwähnten Faktoren sind entweder per Definition bekannt oder aber berechenbar. • Ein Faktor aber, der Ausbreitungsweg und die durch ihn hervor gerufene Steckendämpfung, erfordert besondere Aufmerksamkeit. • Ihm wollen wir uns in der Folge vertieft zuwenden. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  14. Ausbreitungswege im HF-Bereich Bodenwellen-Reichweite f(MHz)Distanz(km) 2 ca. 100km 4 ca. 50km 6 ca. 30km 8 ca. 20km 10 ca. 16km Beispiel mit gleicher Ausgangsleis-tung auf allen Frequenzen bei verti-kaler Polarisation und mit konstan-ter Feldstärke am Empfangsort. Bild: Sebastian Janke • Signale im HF-Bereich (100...10m) pflanzen sich über die Bodenwelle (BW) nur über geringe Distanzen aus. Die BW ist frequenz- und leistungs-abhängig. • Interessant ist die Signal-Ausbreitung über die Raumwelle (RW), wobei hier jahres- und tageszeitliche Einflüsse, sowie die aktuelle solare Aktivität zu beachten sind. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  15. Aufbau der Ionosphäre Bild: NOAA • HF-Signale überwinden grössere Distanzen mittels Raumwellenausbreitung. Dabei wird die Fähigkeit der Ionosphäre genutzt, auftref-fende Signale zu „reflektieren“. • Die Ionosphäre ist aber nicht nur einfach ein Spiegel. Die verschiedenen Schichten wirken reflektierend, brechend oder auch dämpfend. • Die Auswirkungen der Ionosphäre auf Radio-wellen hängt ab von Jahres- und Tageszeit, Sonnenaktivität, Einfallwinkel und Frequenz. • Die unteren Schichten (D, E) üben tagsüber auf Signale < 8MHz eine dämpfende Wirkung aus. Sie lösen sich nach der Dämmerung auf und geben den Weg zu den F-Schichten frei, welche nun als Reflektoren wirken können. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  16. MUF / OWF / LUF • Die Frequenz des blauen Signals ist größer als die MUF, durchdringt alle Schichten und gelangt ins All. • Die Frequenz des grünen Signals ist kleiner als die der MUF der F-Schicht. Es ist aber größer als die MUF der E-Schicht und liegt im Bereich der OWF. • Die Frequenz des orangen Signals ist kleiner als die MUF der E-Schicht und größer als die der LUF. • Die Frequenz des roten Signals ist kleiner als die LUF und wird in der D-Schicht absorbiert. MUF – Maximum Usable Frequency OFW – Optimum Working Frequency LUF – Lowest Usable frequency Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  17. Bodenwellen • Unter Bodenwellen versteht man die sich entlang der Erdoberfläche ausbreitenden Radiowellen einer Sendeantenne. • Die Bodenwellen-Ausbreitung ist stark frequenz- und leistungsabhängig. • Die Bodenwellen-Ausbreitung ist im weiteren stark abhängig von der Bodenbeschaffenheit (Leitfähigkeit) und der Topographie. • Die Bodenwellen-Ausbreitung ist von tages- oder jahreszeitlichen Änderungen nicht oder nur wenig betroffen. • Im HF-Bereich betragen Bodenwellen-Reichweiten einige zehn bis hundert Kilometer. • Feuchte Böden mit hoher Leitfähigkeit begünstigen die Bodenwellen-Ausbreitung, trockene Böden, Fels und natürlich Gebirge behindern sie. • Maximale Bodenwellen-Reichweiten ergeben sich im LF und VLF-Bereich und über Meer (Bis weit über 10‘000km). Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  18. Raumwellen • Als Raumwelle wird die sich von einem Sender in den Raum ausbreitende elektromagnetische Welle bezeichnet. • Die Raumwelle gelangt durch Reflektion / Brechung an der Ionosphäre wieder zur Erde zurück. • Mittels Raumwellen lassen sich je nach Frequenz und Abstrahlwinkel Distanzen von 0km bis zu mehreren 10‘000km (Einzel- / Multihop) überwinden. • Die Raumwellen-Ausbreitung ist im Vergleich zur Bodenwelle weniger abhängig von Sendeleistung und Bodenbeschaffenheit. • Dafür besteht bei der Raumwelle eine starke Abhängigkeit von den Ionosphären-Eigenschaften (f0F2, OWF, Mögel-Dellinger Effekt) als Folge von tages- und/oder jahreszeitlichen Effekten sowie der Sonnenaktivität. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  19. Elevationsdiagramm einer NVIS-Antenne Bodenwelle oder Raumwelle? • Sichere Verbindungen im HF-Bereich über 0…200km können nur mittels Raumwellen erreicht werden. • Diese werden in steilen Winkeln von 76…90° himmelwärts abgestrahlt. • Das Verfahren heisst NVIS (Near Vertical Incident Skywave). • Bodenwellenabstrahlung, bzw. BW- Empfang werden möglichst weitge-hend unterdrückt. • Dies zwecks Vermeidung von Inter-ferenzen, welche Verzerrungen bis hin zu vollständigen Signal-Auslö-schungen zur Folge haben können. • Am Sende- wie am Empfangsort sind vorzugsweise steilstrahlende NVIS-Antennen einzusetzen. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  20. Frequenzwahl für NVIS-Verbindungen • NVIS-Verbindungen basieren auf steil himmelwärts abgestrahlten Signalen. • Die Spiegeleigenschaften der oberen Schichten der Ionosphäre folgen op-tischen Gesetzen und reflektieren auftreffende HF-Signale, welche unter-halb der kritischen Frequenz f0F2, bzw. zwischen LUF und MUF liegen. • Somit gilt es, die kritische Frequenz f0F2 zweifelsfrei zu bestimmen. • Die kritische Frequenz f0F2definiert die höchste Frequenz, welche bei senkrechtem Auftreffen auf die Ionosphäre noch reflektiert wird. • Die LUF (Lowest Usable Frequency) ist die nied-rigste Frequenz, welche sich für eine definierte Verbindung noch eignet. • Die MUF (Maximum Usable Frequency) ist die höchste Frequenz, welche sich für eine definierte Verbindung noch eignet. • Die kritische Frequenz wird in diversen Obser-vatorien gemessen, MUF und LUF werden mittels Ausbreitungsprognosen errechnet. Bild: www.spacew.com Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  21. Übertragungswege - Streckendämpfung Wichtig: Die oben stehenden Angaben sind theoretische Richtwerte. Sie können durch Dämpfungseffekte in den D / E-Schichten und Reflektionsdämpfung grösser, durch eine besonders hohe Leitfähigkeit der Ionosphäre oder Reflektionen in den unteren Schichten aber auch kleiner werden. Empfehlung: Den aufgeführten Dämpfungswerten 10...20dB Sicherheitsmarge zuzurechnen. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  22. Übertragungswege - Fazit • Schlussfolgerungen: • Zur Überbrückung kurzer Distanzen eignen sich Frequenzen bis hin zur kritischen Frequenz f0F2. • Die Elevations, bzw. Abstrahlwinkel sollen für Distanzen von >0… 200km 76...90° betragen (NVIS). • Bodenwelleneinflüsse sind wegen Interferenzproblemen zu vermeiden. • Die kritische Frequenz f0F2 darf bei NVIS nicht überschritten werden, ansonsten die Strahlung in den Weltraum entweicht. • Für mittlere Distanzen (200…2000km) eignet sich besonders die OWF (zwischen der LUF und der MUF) bei Elevationswinkeln von 21...76°. • Die optimale Arbeitsfrequenz OWF liegt ungefähr 15% unterhalb der MUF, sie ergibt eine Verbindungswahrscheinlichkeit von etwa 90%. Bild: www.spacew.com Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  23. SWTA – Mess- und Simulationsresultate Heinz Bolli Prof. Dr. Ing. Gerd Janzen • Die SWTA-Antenne wurde auf einem geeigneten Testgelände aufgebaut, eingehend vermessen und im Simulationsprogramm EZNEC nachgebildet. • Da die Simulationsergebnisse mit den Messresultaten weitgehend über-einstimmen, werden in nachfolgend die Simulationsgrafiken gezeigt. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  24. SWTA - Anpassung Smith Chart Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  25. SWTA - Anpassung SWR Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  26. SWTA - Azimutdiagramm 2MHz / 76° Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  27. SWTA - Azimutdiagramm 4MHz / 76° Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  28. SWTA - Azimutdiagramm 8MHz / 76° Weiter Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  29. SWTA - Azimutdiagramm 8MHz / 22° Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  30. SWTA - Azimutdiagramm 12MHz / 22° Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  31. SWTA - Azimutdiagramm 16MHz / 22° Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  32. SWTA - Azimutdiagramm 20MHz / 22° Weiter Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  33. SWTA - Azimutdiagramm 24MHz / 22° Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  34. SWTA - Azimutdiagramm 28MHz / 22° Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  35. Übersicht Gesamtsystem mit SWTA Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  36. Systembeurteilung • Positiv fällt auf • Leistungsfähiger Transceiver mit breitbandig gut angepasster Antenne. • Negativ ist anzumerken • Verbindungsbedürfnis wird nicht erfüllt (Erfolgschance < 25%, Praxiswert). • Wo liegen die Ursachen? • Keine effektive Gesamtbetrachtung vor Materialbeschaffung. • Zusammenhang Sendeleistung / Antennengewinne / Ausbreitungs- oder Streckendämpfung / Störpegel / Empfängerempfindlichkeit nicht oder zu wenig beachtet. • Einseitige Fokussierung auf gute Antennenanpassung „unter allen Umständen“. • Keine Rechenschaft verlangt, womit diese erkauft wird. • Frage • Womit wird diese breitbandig-gute Anpassung denn erkauft? Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  37. Beurteilung SWTA-Antenne • Funktionsweise • Drahtantenne, bestehend aus abgeschlossener „Wanderwellenleitung“. • Abschlusswiderstand 450Ω • Ankoppelung der 50Ω-Speiseleitung via Übertrager 1:9. • HF-Weg: Eingangsübertrager, HF-Fluss über Wanderwellenleitung, Abschlusswiderstand 450Ω, HF-Rückfluss über Erde. (RE< 300Ω) • Vorteil dieses Prinzips • Anpassung in weitem Frequenzbereich und unabhängig von der Bodenbeschaffenheit (solange RE< 300Ω). • Nachteil dieses Prinzips • Sehr geringer Antennenwirkungsgrad bis hinunter auf wenige Prozente. • Antennen-Wirkungsgrad zusätzlich stark bodenabhängig. • Unterschiedliche Strahlungsdiagramme bei tieferen Elevationswinkeln. • Die SWTA verhindert die Erfüllung des Verbindungsbedürfnisses. Link zu Zeichnung Weiter Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  38. SWTA- Antenne Beispielbild HF-Antenne Weiter Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  39. Bestehendes System - Fazit • 1. Praxiserfahrung • Das System funktioniert nicht, Verbindungssicherheit ungenügend (<25%) • 2. Warum funktioniert das System nicht? • Zu geringe Empfänger-Eingangsspannung mit ausgewähltem Setup • 3. Warum ist die Empfänger-Eingangsspannung zu gering? • Ungeeignete Antenne mit zu geringem Gewinn (-24…-12dBi) bei Eleva-tionswinkel 76° und tiefen Frequenzen (NVIS). • Ungeeignete Antenne mit zu geringem Gewinn (-30…-21dBi) wegen teil-weise ungünstigem Richtdiagramm bei Frequenzen > 8MHz und Abstrahl-winkel 22°. • 4. Konsequenz: • Eine bessere Antenne muss her, nämlich „die richtige Antenne“. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  40. Die richtige NVIS-Antenne - 1 • 1. HF-Technische Anforderungen / Eigenschaften • Rundstrahler. • Elevationswinkel 76…90°. • Gewinn > 1.8dBi. • Frequenzbereich 2…12 MHz. • Kein ohmsch bedämpftes System (zwecks Breitbandigkeit). • Automatische Antennenanpassgerät als Bestandteil des Antennensystems. • 2. Mechanische Anforderungen / Eigenschaften • Zentraler Mittelmast, Höhe 7.5…8.5m. • Einfacher Aufbau, mit maximal 2 Personen durchführbar. • Robuste Konstruktion. • Möglichst geringes Gewicht. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  41. Die „richtige NVIS-Antenne - 2 Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  42. Übersicht Gesamtsystem mit SRA Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  43. Zukünftiges System mit SRA - Fazit • 1. Praxiserwartung • Das System wird funktionieren. • 2. Warum wird das System funktionieren? • Es stehen ausreichende Empfänger-Eingangsspannung zur Verfügung. • 3. Warum ist die Empfänger-Eingangsspannung ausreichend? • Antennengewinn mit >0dBi ergibt ausreichende Signalspannungen. • 4. Worin liegt der Unterschied zwischen SRA und SWTA-Antenne? • Die SRA ist unbedämpft > höherer Wirkungsgrad. • Konsequenz: Zur Anpassung ist ein Antennenabstimmgerät erforderlich. • 5. Schluss-Fazit: • Die „richtige“ Antenne für dieses Verbindungsbedürfnis und 20 Watt Stationen heisst SRA. Eine durch Dämpfung breitbandig gemachte Antenne könnte erst bei Leistungen im Kilowatt-Bereich befriedigen. Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

  44. Ende der Präsentation Ich danke Ihnen für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit Heinz Bolli, HB9KOF Bitte zögern Sie nicht, Fragen zu stellen, bzw. mich zu einem späteren Zeitpunkt zu kontaktieren. Sie erreichen mich wie folgt: HEINZ BOLLI AG Rütihofstrasse 1 CH-9052 Niederteufen Tel +41 71 335 07 20 / Fax +41 71 335 07 21 heinz.bolli@hbag.ch / http://hbag.ch Antennenengineering heute (c) 2010 HB9KOF

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