Beispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol

Beispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol

Leiter

Leiter Spalt

Bildquelle: http://www.elektronik-

kompendium.de/sites/kom/0810171.htm

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/

wiki/Dipolantenne

Schwingkreis

/2

Beispiel: Richtdiagramm des Hertzschen Dipols

Darstellung der Charakteristik einer Antenne durch ihr Richtdiagramm

x y

z x

x z

(Englisch: Radiation-Pattern)

Bildquelle: http://en.wikipedia.org/

wiki/Radiation_pattern

Beachte: Antennencharakteristik ist bzgl. Senden und

Empfangen gleich; Richtdiagramm stellt sowohl Sende als

auch Empfangscharakteristik einer Antenne dar

Größe des Richtdiagramms ist nicht entscheidend

Beispiel e

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?

Größe des Richtdiagramms stellt relative Leistungsunterschiede für unterschiedliche

Richtungen dar

Definition: Bündelbreite

im Englischen: „beam width“

Der Winkel in der die Leistung nur noch die Hälfte der Stärksten Richtung der Antenne Beträgt

Beispiel

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)

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)

Nutzfläche einer Antenne für eine gegebene Richtung (effective-area)

Informal: Größe und Form einer Antenne bestimmen dessen effektive Nutzfläche für eine gegebene Richtung

Für eine gegebene Richtung besteht in Abhängigkeit der Wellenlänge  zwischen Antennengewinn G und der Nutzfläche A

folgender

Zusammenhang:

Transmit antenna

Receive antenna

Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl

Was ist die Bündelbreite?

Was ist der Antennengewinn in eine beliebige Richtung?

Quiz: Richtdiagramm des isotropischen Strahlers?

x y

z x

x

z

Antennenbeispiel: Beispiel Dipol mit Länge /4 (Marconi- Antenne)

Bildquelle: http://en.wikibooks.org/wiki/

Communication_Systems/Antennas

/4

Fläche Spiegelt den lambda/4 Strahler (Beispiel: Radioantenne auf dem Autodach)

Bildquelle: Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003

Beispiel: Inverted-F Antenna (IFA) bei einem TmoteSky- Knoten

Wo ist hier die Antenne?

So eine Antenne nennt man auch PCB-Antenne (Printed- Circuit-Board-Antenne)

ekannt

Beispiel: Richtdiagramme aus dem TmoteSky-Datenblatt

Horizontale Aufstellung Vertikale Aufstellung

Bildquelle der Richtdiagramme: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006)

Beispiel: Parabolantenne

x y

Fokus

Gleiche Länge Leitgerade (Directrix)

Parabol-Konstruktion Reflektionsverhalten

x

y

Beispiel: Richtdiagramm einer Parabolantenne

x y

z y

x

z

Bündelbreiten von Parabolantennen

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

Betrachtete Frequenz 12GHz

Nach der Quelle: R. Freeman, Radio Systems Design for Telecommunications, Wiley, 1997

Parabolantennen haben immer eine Bündelbreite >0, da der Fokus in der Praxis kein

idealisierter Punkt ist; Beobachtung: „je größer desto besser“

Antennengrößen

Bei den betrachteten Lambda/x-Antennen ist die Antennengröße proportional zur verwendeten Wellenlänge

Beispiel Antenne des TmoteSky-Knote ist etwa 3,125cm lang und beträgt

¼ der Wellenlänge (lambda/4-Antenne).

Welcher Frequenzbereich wird wohl verwendet?

Vereinfacht gesagt gilt für Antennen in Kommunikaitonsystemen: je höher

die verwendetet Frequenz desto kleiner kann auch die Antenne sein.

Weiteres zu grundlegenden Antennentypen

Das war hier nur eine kleine Auswahl: eine Liste aller grundlegenden Antennentypen findet man z.B. unter:

http://www.antenna-theory.com/antennas/main.php

Aus grundlegenden Antennentypen lassen sich des Weiteren

komplexere Antennen bauen: siehe folgendes...

Antennen: gerichtet und mit Sektoren

Seitenansicht (xy-Ebene) x y

Seitenansicht (yz-Ebene) z y

von oben (xz-Ebene) x z

von oben, 3 Sektoren x z

von oben, 6 Sektoren x z

Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte

Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)

gerichtete Antenne

Sektoren-

antenne

Antennen: Diversität

 Gruppierung von 2 oder mehr Antennen



Antennenfelder mit mehreren Elementen

 Antennendiversität



Umschaltung/Auswahl



Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang



Kombination



Kombination der Antennen für einen besseren Empfang



Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden

+

/4

/2

/4

Grundfläche

/2

/2

+

/2

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

 Use of several antennas at receiver and transmitter

 Increased data rates and transmission range without additional transmit power or bandwidth via higher spectral efficiency, higher link robustness, reduced fading

Examples

 IEEE 802.11n, LTE, HSPA+, …

Functions

 “Beamforming”: emit the same signal from all antennas to maximize signal power at receiver antenna

 Spatial multiplexing: split high-rate signal into multiple lower rate streams and transmit over different antennas

 Diversity coding: transmit single stream over different antennas with (near) orthogonal codes

sender

receiver t

t

t

Time of flight t₂=t₁+d₂ t₃=t₁+d₃

1 2

3

Sending time 1: t₀

2: t₀-d₂ 3: t₀-d₃

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren

Codierung

Signale I

 Physikalische Darstellung von Daten

 Zeitabhängig oder ortsabhängig

 Signalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentieren

 Einteilung in Klassen nach Eigenschaften:



zeitkontinuierlich oder zeitdiskret



wertkontinuierlich oder wertdiskret



Analogsignal = zeit- und wertkontinuierlich



Digitalsignal = zeit- und wertdiskret

 Signalparameter periodischer Signale: Periode T, Frequenz f=1/T, Amplitude A, Phasenverschiebung 



Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal:

s(t) = A

sin(2  f

t + 

)

Problem: Wireless = Analog

0110 1001 1000 1010

Transmitter Receiver

0110 1001 1000 1010

Definition: Transmitter + Receiver = Transceiver

Bandpass Transmission Principle

0110 1001 1000 1010

Transmitter Receiver

0110 1001 1000 1010 Carrier wave with

carrier frequency f

Amplitude Frequency Phase

Terminology

1011

Bit(s) Symbol

Modulation

Demodulation

Symbol rate:

Number of Symbols per second

Data rate:

Number of Bits per seconds

N-ary modulation scheme: number of different symbols!

i.e., this can convey log(N) Bits per symbol

Erinnerung: Fourier-Repräsentation periodischer Signale

) 2

cos(

) 2

2 sin(

) 1 (

1 1

nft b

nft a

c t

g

n n n

n

  















1

0

1

0

t t

ideales periodisches Signal reale Komposition

(basierend auf

Harmonischen)

 Verschiedene Darstellungen eines Signals:



Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit)



Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz)



Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel φ werden in Polarkoordinaten aufgetragen)

 Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar

 Digitalsignale besitzen Rechteckflanken



im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite



zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale

Signale II

f [Hz]

A [V]



I = M cos φ (In-phase) Q = M sin φ (Quadrature)

 A [V]

t[s]

Übersicht

Elektromagnetische Wellen

Frequenzen und Regulierungen Antennen

Signale

Signalausbreitung



Motivation



Statische Knoten



Mobile Knoten



Zusammenfassung Multiplex

Modulation

Bandspreizverfahren

Codierung

Wir wollen folgende hier dargestellte Effekte verstehen; was geht hier schief?

Bildquelle: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall, 2002

Randbemerkung: Was ist dB?

Logarithmische Darstellung von im Verhältnis stehenden gleichartigen (d.h. gleiche Einheitengröße) Leistungs- bzw. Energiegrößen

Am Beispiel: Für P

und P

ist das Verhältnis P

/ P

definiert als:

Note: What is dBm?

Logarithmic expression of power in mW Conversion



P mW  x dBm



x dBm  P mW

Examples (from wikipedia)

dBm level Power Notes

80 dBm 100 kW Typical transmission power of a FM radiostation

60 dBm 1 kW = 1000 W Typical RF power inside a microwave oven

36 dBm 4 W Typical maximum output power for a Citizens' band radiostation (27 MHz) in many countries 30 dBm 1 W = 1000 mW Typical RF leakage from a microwave oven - Maximum output power for DCS 1800 MHz mobile

phone

27 dBm 500 mW Typical cellular phonetransmission power

21 dBm 125 mW Maximum output from a UMTS/3Gmobile phone (Power class 4 mobiles) 20 dBm 100 mW BluetoothClass 1 radio, 100 m range (maximum output power from unlicensed FM transmitter)

4 dBm 2.5 mW Bluetooth Class 2 radio, 10 m range

0 dBm 1.0 mW =

1000 µW Bluetooth standard (Class 3) radio, 1 m range

−70 dBm 100 pW Typical range (−60 to −80 dBm) of Wireless signal over a network

−111 dBm 0.008 pW Thermal noise floorfor commercial GPSsignal bandwidth (2 MHz)

−127.5 dB

m 0.000178 pW Typical received signal power from a GPS satellite