Antennenleistung [Whitepaper]
30. September 2010
Einführung
In dieser modernen Ära der Funktechnologie wird von Steuer- und Automationstechnikern zunehmend verlangt, dass sie Funksensor- und Funküberwachungssysteme in den unterschiedlichsten Umgebungen bewerten und installieren. Damit die Vorteile der Funknetzwerke genutzt werden können, wie zum Beispiel Flexibilität, Zuverlässigkeit und einfache Installation, müssen Techniker sich mit der neuen Technologie und der neuen Begriffswelt vertraut machen, insbesondere in Bezug auf die Antennen in Funkanlagen.
Die Antenne ist eine wichtige Komponente eines Funknetzwerks. Die richtige Antenne kann die Übertragungsreichweite und Zuverlässigkeit eines Funknetzwerks optimieren. Die falsche Antenne hingegen kann dazu führen, dass Hochleistungsfunkgeräte anscheinend den Funktionsbetrieb einstellen.
Dieses Whitepaper vermittelt Grundkenntnisse über wesentliche Leistungsmerkmale zur Analyse der Antennenleistung in Installationsumgebungen für Steuer- und Automationstechniker. Diese Kennzahlen geben Auskunft über:
- Antennenleistung
- Verstärkung
- Antennentypen
- Sichtlinie
- Schwundreservenberechnungen
Aufbau einer Antenne
Wie funktionieren Antennen?
Antennen übertragen Funksignale durch Umwandlung hochfrequenter elektrischer Ströme in elektromagnetische Wellen. Zum Empfang der Signale konvertieren Antennen die elektromagnetischen Wellen wieder zurück in Hochfrequenzströme.
Da elektromagnetische Wellen kein Transportmedium brauchen, können Antennen in der Luft, im Weltraum, unter Wasser oder in einer anderen Flüssigkeit funktionieren. Über begrenzte Entfernungen übertragen sie Signale sogar durch Feststoffe hindurch. Jede Antenne hat spezifische Merkmale, die die Übertragungsreichweite und das Strahlungsmuster bzw. die Form des Funksignals bestimmen. Eines der wichtigsten Merkmale der Antenne ist ihre Verstärkung.
Verstärkung
Die Form des Funksignals wird als Antennenverstärkung bezeichnet. Ähnlich, wie Düsen den Wasserfluss umleiten, fokussiert die Antennenverstärkung das Funksignal in eine bestimmte Richtung und in ein Strahlungsmuster. Je höher die Antennenverstärkung, desto fokussierter ist das Signal.
Die Antennenverstärkung wird in Dezibel gemessen. Ein Dezibel ist ein logarithmisches Verhältnis zwischen einem bestimmten Wert und einem Grundwert derselben Maßeinheit. Hinsichtlich der Funkleistung ist dBm ein Verhältnis der Leistung relativ zu 1 Milliwatt, wobei 1 mW gleich 0 dBm ist.
Die erste Tabelle zeigt das logarithmische Verhältnis zwischen dBm und Leistung: Eine kleine Veränderung des dBm-Werts führt zu einer großen Veränderung der Leistung.
Für eine Reduzierung von je 10 dBm verringert sich die Leistung jeweils um den Faktor 10. Leistungspegel unter 1 mW entsprechen negativen Dezibel-Werten. Die zweite Tabelle zeigt, wie sich die Leistung des Systems durch eine Veränderung um nur 3 dBm halbiert.
Es wurde empirisch nachgewiesen, dass sich die Funksignalreichweite bei einem Anstieg der Verstärkung um 6 dB jeweils verdoppelt. Wenn also eine Funkanlage mit einer Antenne mit Verstärkungsfaktor 1 (Verstärkung 0 dB) das Signal über eine Entfernung von 3 km überträgt, überträgt eine 6-dB-Antenne derselben Funkanlage das Signal 6 km weit.
Spezifikationen für die meisten Antennen beziehen sich auf die Verstärkung, die entweder in dBm, dBi oder dBd ausgedrückt wird. An diesem Punkt ist es nicht von Bedeutung, worauf sich die Dezibelwerte genau beziehen. Als Faustregel kann gelten:
dBm = dBi = dBd + 2,15
Wenn die Verstärkungen und Schwunde einer gesamten Funkanlage addiert werden, wird dieselbe dB-Maßeinheit für jede Systemkomponente angewandt.
Wenn die Verstärkung erhöht wird, steigt nicht nur die Reichweite, sondern auch das Strahlungsmuster verändert sich. Wie sich das Strahlungsmuster verändert, hängt vom Antennentyp ab: Rundstrahlantenne oder Richtungsantenne.
| dBm | Power |
|---|---|
| +20 | 100 mW |
| +10 | 10 mW |
| 0 | 1 mW |
| -10 | 100 µW |
| -20 | 10 µW |
| -30 | 1 µW |
| -40 | 100 nW |
| -50 | 10 nW |
| -60 | 1 nW |
| -70 | 100 pW |
| dBm | Power |
|---|---|
| 30 | 1.00 W |
| 29 | 794 mW |
| 28 | 631 mW |
| 27 | 501 mW |
| 26 | 398 mW |
| 25 | 316 mW |
| 24 | 251 mW |
Rundstrahlantennen
Wie der Name schon besagt, senden und empfangen Rundstrahlantennen Funksignale in allen Richtungen gleichermaßen. Wegen der physikalischen Eigenschaften der Funktechnik sieht das effektive Signalmuster einer Rundstrahlantenne aus wie ein Kreisring, bei dem die Antenne im Mittelpunkt steht. Ein gutes Beispiel für eine Rundstrahlantenne ist ein Übertragungsturm von einem Radiosender, der auf einem Berggipfel steht. Die Antennen von Mobiltelefonen oder Walkie-Talkies sind ebenfalls Rundstrahlantennen.
In einem Funknetzwerk eignen sich Rundstrahlantennen am besten für Innenumgebungen und für Geräte, die im Mittelpunkt eines Netzwerks mit Sterntopologie stehen. Für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über große Entfernungen wären Rundstrahlantennen nicht die beste Wahl.
The top view of an omni-directional antenna appears to extend evenly in all directions
Viewed from the side, however, omni-directional antennas have more of a doughnut pattern.
Zu beachten ist, dass sich in unmittelbarer Nähe zur Antenne ein Funkloch befindet. Bei den meisten Dipol-Rundstrahlantennen wird ein optimaler Signalempfang erst nach einer gewissen Mindestentfernung erzielt.
Hohe Verstärkung
Eine Rundstrahlantenne mit erhöhter Verstärkung hat von oben gesehen außerdem ein kreisförmiges Strahlungsmuster. Aus der Seitenansicht erhöht die vertikal gesendete verminderte Energie jedoch die horizontal übertragene Energie. Das Strahlungsmuster erstreckt sich über die erweiterte Reichweite und fokussiert das Signal auf einer horizontalen Ebene.
Dadurch sind Rundstrahlantennen mit hoher Verstärkung anfälliger für Höhenunterschiede zwischen den beiden Funkgeräten.
Increasing the gain of omni-directional antennas results in less energy sent vertically and more energy sent horizontally, extending the range.
Richtantennen (Yagi)
Eine Yagi-Antenne (nach ihrem Erfinder so benannt) ist eine Richtungsantenne, weil sie die meiste Energie des Senders oder Empfängers in einer einzigen Richtung fokussiert. Wenn Sie die Antennenstrahlungsmuster mit Licht vergleichen, strahlt eine Rundstrahlantenne ein Funksignal aus wie eine Glühbirne - gleichmäßig in kugelförmigem Muster. Eine Richtungsantenne strahlt ähnlich wie eine Taschenlampe: Das Signal wird in nur einer Richtung fokussiert. Je höher die Verstärkung, desto stärker die Fokussierung des Strahls.
Yagi-Antennen eignen sich ideal für die Kommunikation in einer Sichtlinie über eine große Reichweite. In Sensornetzwerken werden Yagi-Antennen oft bei Anwendungen im Freien eingesetzt, zum Beispiel bei der Überwachung von Tankfüllständen. Ohne Sichtlinie ist eine Yagi-Antenne nicht besonders leistungsfähig.
A Yagi antenna radiates a signal in one direction.
Yagi-Antennen mit hoher Verstärkung
Da Yagi-Antennen schmalere Strahlungsmuster erzeugen, ist es wichtig, Yagi-Antennen mit hoher Verstärkung bei der Einrichtung von Funknetzwerken präzise auszurichten. Installateure von Funknetzwerken können diverse Instrumente für die präzise Ausrichtung einer Yagi-Antenne verwenden, zum Beispiel Bereiche, Lasersichten und das Trial-and-Error-Verfahren.
Je höher die Antennenverstärkung, desto fokussierter ist das Signal auf einer bestimmten Ebene. Antennen mit hoher Verstärkung sollten nur bei Anwendungen mit Sichtlinie eingesetzt werden.
As the Yagi’s gain increases, the radio signal becomes more focused along a specific path.
Die Bedeutung der Sichtlinie
Eine präzise Signalübertragung hängt von einem freien Weg zwischen den Funkantennen ab, der als Sichtlinie bezeichnet wird. Wenn die Sichtlinie durch Behinderungen wie Gebäude, Bäume oder Geländeunebenheiten unterbrochen wird, wird dadurch auch die Signalübertragung beeinträchtigt, und es kommt zu Mehrweg-Fading oder erhöhter Signalabschwächung.
Das Mehrweg-Fading ergibt sich, wenn Funksignale den Empfänger über mehrere Wege erreichen. In Industrieumgebungen kann ein empfangenes Signal das Sichtliniensignal sowie zusätzliche von Gebäuden, Ausrüstungen, Bäumen oder dem Außengelände reflektierte Signale enthalten. Der Übertragungswegverlust ist die Schwächung des Signals infolge von dessen Übertragung durch das Medium, in diesem Fall die Luft.
Line of sight may be preserved, but obstructions in the first lobe of the Fresnel zone may still cause reception problems.
Trotz einer freien Sichtlinie beeinträchtigen Behinderungen in der Fresnel-Zone – einem dreidimensionalen Ellipsoid mit den beiden Antennen als Brennpunkten – das Funksignal und verursachen Mehrweg-Fading. Bringen Sie die Antennen hoch genug an, damit alle Behinderungen umgangen werden. Im Idealfall sollten sich in der gesamten Fresnel-Zone keine Behinderungen befinden, auch wenn die Sichtlinie uneingeschränkt ist.
Wenn sich ein Funknetzwerk über einen großen Bereich mit vielfachen Behinderungen oder unebenem Gelände erstreckt, sollte eine Standortaufnahme durchgeführt werden, um die optimalen Positionen und Montagehöhen der Antennen sowie die besten Verstärkungen für zuverlässige Leistung zu ermitteln.
Funkleistung und die FCC
Bei der Durchsicht von Datenblättern für Funkprodukte sollte auf zwei wichtige Spezifikationen geachtet werden: die Übertragungsleistung und die Empfangsempfindlichkeit der Funkgeräte.
Die Übertragungsleistung gibt die Stärke des übertragenen Signals an, während sich die Empfangsempfindlichkeit auf die Mindestsignalstärke bezieht, die der Empfänger zuverlässig erfassen kann. Beide Spezifikationen beziehen sich nur auf das Funkgerät, nicht auf die Antenne, und werden in dBm oder in Milliwatt angegeben.
Beim Sender wiesen größere positive Zahlen auf eine hohe Übertragungsstärke hin. Beim Empfänger geben kleinere Zahlen einen besseren Empfang an (Die Empfindlichkeit des Empfängers ist immer eine negative Zahl). Schon eine Veränderung der Übertragungsleistung um 1 dBm kann einen erheblichen Unterschied in der Funkreichweite ausmachen.
Nach den von der FCC aufgestellten Vorschriften sind Funksysteme, die in nicht lizenzierten Frequenzbändern betrieben werden, nur bis zu einer bestimmten Leistung der Funksysteme zulässig. Kein Funksystem darf eine Gesamtstrahlungsleistung von 30 dBm (bzw. ca. 1 Watt) überschreiten.
Schwundreservenberechnungen
Wenn zwei Funkgeräte kommunizieren, heißt das, dass sie miteinander verbunden sind. Die Qualität oder Stärke der Verbindung wird in Dezibel (dB) gemessen. Die "Schwundreservengleichung" ist die Hauptformel, mit der Techniker ermitteln, wie weit ein Funksignal übertragen wird. Gemäß der Funktheorie gilt jede Schwundreserve, die größer als 0 dB ist, als starke Verbindung. In der Praxis schätzen Systemtechniker eine Schwundreserve zwischen zwei Funkgeräten von mindestens 6 dB als ausreichend ein, bevorzugt werden 10 dB.
Die Schwundreserve wird mit den folgenden Gleichungen berechnet:
- Schwundreserve = (Gesamtsystemverlust) – (Empfindlichkeit des Empfängers)
- Gesamtsystemverlust = Senderverstärkung + Empfängerverstärkung + Freiraumdämpfung
Der Gesamtsystemverlust ist eine negative Zahl, weil die Gesamtverstärkung des Senders und die Gesamtverstärkung des Empfängers positive Zahlen sind und die Gesamtfreiraumdämpfung eine negative Zahl ist. Die Empfindlichkeit des Empfängers ist eine negative Zahl.
Wenn das Ergebnis der Schwundreservenberechnung größer ist als 10 dBi, sollte der Empfänger das Funksignal zuverlässig empfangen. Ergibt sich hingegen eine Schwundreserve unter 10 dBi, so ist die für die Berechnungen verwendete Antenne für diese Umgebung möglicherweise nicht geeignet. Sofern die FCC-Vorschriften dadurch nicht überschritten werden, sollten Sie die Verwendung einer Antenne mit höherer Verstärkung in Betracht ziehen und die Schwundreserve neu berechnen.
Freiraumdämpfung
Die Freiraumdämpfung bezieht sich auf den Teil des Funksignals, der natürlicherweise abnimmt, während das Signal durch die Atmosphäre übertragen wird. Dieser Wert ist vom Antennentyp oder von den Spezifikationen der Antenne unabhängig.
Die Funksignalreichweite ist umgekehrt proportional zur Frequenz. Je niedriger die Frequenz, desto länger die Reichweite und desto weniger anfällig ist das Signal für Übertragungswegverlust und Störungen. Die Freiraumdämfpung FSL wird wie folgt berechnet:
FSL900 MHz = 31,5 + 20 Log d (wobei d in Metern angegeben wird)
FSL2,4 GHz = 40 + 20 log d (wobei d in Metern angegeben wird)
Zusammenfassung
Bei der Berechnung der Gesamtverstärkung eines Senders oder Empfängers müssen sämtliche Verluste durch Kabel, Stecker und sonstige Vorrichtungen, die zur Signalübertragung beitragen, berücksichtigt werden.
Datenblätter für alle Funksender, Funkempfänger, Funkantennen, Kabel und Anschlussvorrichtungen sollten Angaben zur Übertragungsleistung, Empfangsempfindlichkeit, Antennenverstärkung und zu Verlusten durch Verkabelung enthalten. Steckerpaare können einen Verlust von 0,5 dB aufweisen, während ein Überspannungsableiter Verluste von 0,5 bis 1,5 dB verursachen könnte. Verluste durch Verkabelung variieren je nach Hersteller und sind normalerweise je 100 Fuß (30,48 m) Kabel angegeben.
Der einzige fragliche Parameter ist die Freiraumdämpfung. Mit der Formel für Freiraumdämpfung sollten Systemtechniker ermitteln können, ob eine ausreichende Schwundreserve für jede Verbindung in einer Punkt-zu-Punkt-Funkanlage gegeben ist.
Das SureCross-System von Banner
Die SureCross Funkgeräte von Banner sind für die Verwendung diverser Antennen ausgelegt, von Rundstrahlantennen mit geringer Verstärkung für kleine Netzwerke bis hin zu Yagi-Antennen mit hoher Verstärkung für Anwendungen mit Sichtlinie und hoher Reichweite. Alle Antennen von Banner erfüllen die FCC-Anforderungen bzw. -Vorschriften.
| Basic Specifications | Example Applications | |
|---|---|---|
| Omni-Directional | Transmit and receive equally in all directions. Ideally suited for the center device in a star topology network. With higher gain, transmit less signal vertically and more signal horizontally in all directions. |
Low-gain omni antennas work well in any multipath or industrial environment such as monitoring and signaling bins for parts picking, monitoring automotive manufacturing steps, or regulating environmental conditions such as temperature and humidity. |
| Directional | Transmit and receive best in a single direction. Requires a clear line-of-sight between devices. With high gain, transmit less signal vertically and more signal horizontally in one direction. |
Yagis are best suited to long range, line-of-sight applications such as monitoring tank farms, waste water, or large-scale agricultural production facilities. |
Nachdem eine Antenne installiert wurde, lässt sich die Signalstärke auf einfache Weise mit der Standortaufnahme-Funktion von Banner analysieren, die in allen Gateway-Geräten enthalten ist. Bei einer Standortaufnahme wird die Funkverbindung zwischen dem Gateway und jedem Teilnehmer innerhalb des Netzwerks analysiert, indem die Anzahl fehlender und empfangener Datenpakete gemeldet wird. Die Ergebnisse der Standortaufnahme werden als Prozentwert der empfangenen Datenpakete aufgeführt und geben die Stärke des empfangenen Signals an.
Die Überwachungs- und Kontrollmöglichkeiten in verarbeitenden Betrieben sind so weit, wie die Fantasie reicht. Von Tankfüllständen bis hin zu Leitungsdrücken, von Temperatur zu Spannung kann das SureCross Funknetzwerk in den meisten Umgebungen einfach und zuverlässig bereitgestellt, skaliert, analysiert und erneut bereitgestellt werden.
Definitionen
Empfohlene Produkte
Gateways und Knoten der Bauform Performance
Create point-to-multi point networks that distribute I/O over large areas. Input and output types include discrete (dry contact, PNP/NPN), analog (0 to 10 V dc, 0 to 20 mA), temperature (thermocouple and RTD), and pulse counter.