Wie Sie Ihre Antenne an das Funkmodul anschließen

Wie wichtig ist die Antenne in einem Funksystem?

Ingenieure, die sich mit der Entwicklung von Funksystemen befassen, legen manchmal großen Wert auf die Eigenschaften des Funkgeräts und übersehen dabei den Aspekt der Antenne. Da die Antenne für die Aussendung und den Empfang von Funkwellen verantwortlich ist, wird kein Funkgerät optimal funktionieren, wenn das ihm zugeführte Signal von schlechter Qualität ist.

Nach der Lektüre dieses Artikels sollten die Ingenieure in der Lage sein, ihre Antenne so zu installieren, dass die beste Übertragungsqualität gewährleistet ist.

Installieren des Funkgeräts und der Antenne in einem Gehäuse

Sowohl das Funkgerät als auch die Antenne werden in ein Gehäuse integriert. Die Antenne wird direkt auf oder in der Nähe der gleichen Leiterplatte wie das Funkmodul installiert, ohne dass ein langes Koaxialkabel erforderlich ist. Es wird nur ein kurzes Stück Kupferleitung benötigt, in einigen Fällen kann die Antenne auch in die Leiterplatte selbst geätzt werden (siehe das Beispiel NK-2.4Y unten).

Da die Antenne auf das Gehäuse beschränkt ist, kann das Produkt tragbar gemacht und leicht in der Hand gehalten werden. Die Antenne ist vor Stoßschäden und Witterungseinflüssen geschützt, und es gibt keine oder nur geringe Signalverluste aufgrund von Kabeln.

Im Inneren des Gehäuses kann die Leistung der Antenne beeinträchtigt werden, da es schwierig ist, eine Antenne in voller Größe auf kleinem Raum unterzubringen, und sie sich in unmittelbarer Nähe anderer Komponenten befindet, die die Antenne verstimmen können. Mit zunehmender Frequenz werden die Antennen kleiner und die Installation innerhalb des Gehäuses wird praktikabler. So beträgt die Wellenlänge bei 2,4 GHz beispielsweise 12 cm – die Antenne passt wahrscheinlich in ein Handgerät. Bei 434 MHz sind es dagegen 70 cm – das ist nicht so praktikabel. In allen Fällen muss das Gehäuse jedoch Funkwellen ungehindert durchlassen, und das Gehäuse darf nicht aus Metall bestehen. Wenn sich die Antenne im Gehäuse befindet (es sei denn, es gibt einen Anschluss für eine optionale Antenne), kann der Benutzer die Antenne nicht wechseln oder vom Gerät absetzen.

Auf dem Gehäuse montierte Antenne

Es besteht die Möglichkeit, die Antenne auf dem Gehäuse selbst zu installieren. Dies ist bei Handfunkgeräten mit festen oder ausziehbaren Antennen der Fall. Funkgeräte können einen Schraubenanschluss am Gehäuse haben, so dass die Antennen austauschbar sind, und es besteht die Möglichkeit, den Standort der Antenne mit einem Koaxialverlängerungskabel zu verlagern.

Wenn sich die Antenne außerhalb des Gehäuses befindet, kann sie passender dimensioniert werden und die Kommunikation wird verbessert. Verwendet man eine 1/4-Lambda-Antenne, kann eine Massefläche in die interne Leiterplatte integriert werden, aber auch ein Metallgehäuse kann bei Bedarf als Massefläche dienen.

Im Gegensatz zu internen Antennen können externe Antennen anfällig für Stoßschäden sein.

 

Antennen an einem abgesetzten Ort installieren

Dazu muss die Antenne vom Funkgerät entfernt und an einem Ort platziert werden, an dem eine größtmögliche Sichtverbindung erreicht werden kann. Für die Übertragung der Signale zur und von der Antenne ist ein koaxiales Verlängerungskabel erforderlich. Das Kabel sollte so gewählt werden, dass es keine zu hohen Dämpfungswerte für das Signal aufweist.

Diese Methode kann verwendet werden, um die Antennen von störenden Hindernissen wie Gebäuden und Bäumen zu befreien, um eine Sichtverbindung zu erreichen. Für eine feste Punkt-zu-Punkt-Kommunikation können geeignete Antennen ausgewählt und installiert werden. Die zusätzliche Höhe kann die Kommunikationsreichweite erhöhen und das Risiko von Störungen von und zu den Einrichtungen am Boden verringern.

Neben der Sichtverbindung müssen diese Antennen, unabhängig davon, ob sie sich innerhalb oder außerhalb des Gehäuses befinden oder weit entfernt aufgestellt sind, das Kriterium der Fresnel-Zone und des Antennenhöhenabstands erfüllen. Die entsprechenden Berechnungstools finden Sie auf den folgenden Seiten:

• Fresnel-Zone
• Berechnung des Höhenrasters

Wenn Antenne und Kabel außen angebracht werden, sind sie der Umgebung ausgesetzt und müssen wie unten beschrieben wetterfest gemacht werden.

Wetterschutz und Installation

Um Wasserschäden durch Regen zu vermeiden, kann man Dichtungsbänder, Schrumpfschläuche oder Kabelverschraubungen um die Anschlüsse herum anbringen. Tropfschleifen um die Kabel können das Eindringen von Wasser in die Antenne und das Gehäuse verhindern. Bei Installation in einem Gebäude ist kein Wetterschutz erforderlich. Allerdings können bestimmte Materialien (z.B. Beton) im nassen Zustand Funksignale abschwächen.

Das Koaxialkabel kann durch ein Leerrohr oder eine elektrische Ummantelung geschützt und mit geeigneten Halterungen/Klammern am Tragmast befestigt werden. Beim Biegen des Kabels um Hindernisse sollte darauf geachtet werden, dass der Biegeradius nicht überschritten wird und keine unnötige Belastung entsteht.

Kondensationsschutz

Wenn das Gehäuse geschlossen ist, können Temperaturschwankungen die Feuchtigkeit im Inneren erhöhen. Daher sollten Gehäuse belüftet sein, damit Luft zirkulieren kann. Es besteht jedoch die Gefahr, dass die von der Luft mitgeführte Feuchtigkeit auf empfindlichen Bauteilen kondensiert und zu Übertragungs- und Empfangsproblemen im Funkgerät führt. Zur Sicherheit sollten die Lüftungsöffnungen mit einem Filter abgedeckt werden, damit Luft, aber kein Wasser durchgelassen wird.

Blitzschutz

Bei Gewittern kann die Antenne ein potenzieller Einschlagspunkt für Blitze sein, insbesondere wenn die Antenne der höchstgelegene Punkt in Ihrer Umgebung ist. Wenn es an Ihrem Standort häufig zu Gewittern kommt, sollten Sie Schutzmaßnahmen ergreifen, um Schäden an Geräten und Gebäuden zu vermeiden. Im Folgenden finden Sie einige Punkte, die Sie beachten sollten.

Standortwahl

Bevor Sie die Antenne installieren, sollten Sie die Umgebung überprüfen, um zu sehen, welche anderen Objekte (Bäume, Gebäude usw.) vorhanden sind. Blitze suchen sich den kürzesten Weg zum Boden, so dass die Antenne als höchstes Gebilde in der Umgebung das Risiko erhöht. Eine Möglichkeit besteht darin, die Höhe der Antenne zu verringern oder sie an einem geschützteren Ort zu installieren, z. B. an einer Wand unterhalb der Dachlinie.

Installation von Blitzableitern

In das Koaxialkabel zwischen Antenne und Gebäude werden Blitzableiter eingebaut, die überschüssige Spannung zur Erde ableiten. Die äußere Hülle des Blitzableiters hat eine Klemme zum Anschließen eines Drahtes, der zu einem Erdungspunkt führt. Er hat keinen Einfluss auf die HF-Signale, die zwischen der Antenne und dem Funkgerät fließen.

Geerdete Antenne gegenüber nicht geerdeter Antenne

Wenn durch einen Blitzeinschlag Spannungen auf die Antenne gelangen, sammeln sich Ladungen an – es sei denn, es kann ein Weg gefunden werden, sie zur Erde zu entladen. Bei Antennen ohne Massefläche (z. B. Sleeve-Antennen oder Dipole) gibt es keine Masse, die überschüssige Ladung während eines Gewitters ableitet. Solche Antennen müssten z. B. mit einem Blitzableiter aufgerüstet werden.

Informationen zu Antennen mit Massefläche finden Sie unter “Monopolantennen” im Kapitel “Antennentypen und -parameter”.

Induzierte Ströme durch Blitzschlag

Schlägt ein Blitz in eine Versorgungsleitung ein, die ein Wohn-/Industriegebiet versorgt, können hohe Ströme erzeugt werden, die sich über ein großes Gebiet verteilen können. Diese Ströme werden versuchen, überall einen Weg zur Erde zu finden – nicht nur über die Erdung des Strommastes. Maßnahmen wie die Installation eines Trenntransformators an der Stromversorgung können verhindern, dass diese Ströme in das Funkgerät gelangen.

Montagekomponenten

Antenne

Informationen zur Auswahl der Antenne anhand ihrer elektrischen Parameter finden Sie im Artikel “Antennentypen und -parameter“.

Für die physikalischen Aspekte bieten verschiedene Antennenhersteller zum Beispiel:

• Abmessungen
• IP-Einstufungen
• Antennengewicht
• Windlast (abhängig von der Aerodynamik der Antenne)
• Anschlusstyp
• Maximale Belastbarkeit ( Höhe der Eingangsleistung, die die Antenne während der Übertragung physikalisch verarbeiten kann).

Der letzte Punkt ist nicht von Belang, wenn die Antenne nur für den Empfang ausgelegt ist.

Koaxkabel

Das Koaxkabel ist zuständig für den Transport der Signale zwischen Antenne und Funkgerät. Die wichtigsten zu berücksichtigenden Parameter sind die charakteristische Impedanz (siehe Artikel “Impedanz und Stehwellenverhältnis“) und die Kabeldämpfung (in dB/m). Ein dickeres Kabel hat geringere Verluste, aber weniger Bewegungsfreiheit bei der Installation aufgrund größerer Steifigkeit und größerer Biegeradien sowie höherer Kosten (einschließlich der Materialien, die zur Herstellung des Kabels verwendet werden).

Kabelverluste werden in Link-Budgets erwähnt (siehe Artikel “Link-Budget“), einem Machbarkeitsmodell für die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger. Sie werden bei der Formulierung des Link-Budgets berücksichtigt. Für den Kabeltyp RG-58A/U beträgt der Verlust beispielsweise 230 dB/km bei 200 MHz. Der Verlust pro Meter lässt sich sehr leicht berechnen, wenn diese Werte in dB angegeben sind.

Verwendet man ein 10 m langes Kabel bei dieser Frequenz, wäre der Verlust:

230 / 1000 = 0,23 dB/m

0,23 x 10 = 2,3 dB Verlust zwischen Sender und Antenne. Das entspricht 40% Signalverlust auf dem Weg zur Antenne

Anschlüsse

Es gibt verschiedene Steckverbinder, die für den Anschluss von Funkgeräten verwendet werden. SMA sind robuste Anschlüsse und werden häufig bei höheren Frequenzen verwendet. Sie sind als “normal” und “reverse” konfiguriert, wobei der Mittelstift für die reverse Konfiguration vertauscht ist. Steckverbinder wie UHF werden aufgrund ihrer Robustheit häufig in Amateurfunkgeräten verwendet. Typ-N ist teurer als UHF, wird aber wegen seiner höheren Frequenztauglichkeit z. B. in HF-Messgeräten verwendet.

SMA

Normale SMA (Stecker und Buchse)	Reverse SMA (Stecker und Buchse)

 

Sonstige

Typ-N	UHF	BNC