AntennenDiversity

Was ist das? Wozu braucht man das? Wie funktioniert das?

Für eine Beschreibung der bei DBØUA realisierten AntennenDiversity klicken Sie bitte auf nebenstehendes Bild.

Grundlagen

Zum besseren Verstehen der Funktionsweise von AntennenDiversity müssen wir uns mal die Ausbreitungswege zwischen Sender und Empfänger etwas genauer ansehen.

Was bedeutet eigentlich Diversity? Wörtlich übersetzt heißt es Vielfalt, Verschiedenheit, Ungleichheit, Mannigfaltigkeit.
Und damit haben wir es auch zu tun.
Präziser ausgedrückt:
Ungleichheiten des Funkwellenfeldes am Ort der Empfangsantenne.

Durch Mehrwegeausbreitung von Funksignalen empfängt eine Station ein Funksignal in der Regel mehrfach auf unterschiedlichen Wegen, wobei sich die Signale teilweise gegenseitig überlagern und stören können. Eine AntennenDiversity-Einrichtung wählt automatisch das beste Empfangssignal aus.

Das Funkwellenfeld am Ort der Empfangsantenne ist nur dann »homogen«, wenn direkte Sichtverbindung zwischen Sende- und Empfangsantenne gegeben ist. Dies ist beispielsweise bei Verbindungen zwischen exponierten Standorten der Fall.
Meistens sehen sich die Antennen aber nicht.

In der Regel haben wir es – abhängig von der Streckengeometrie – mit Mehrwegausbreitung zu tun. Aufgrund unterschiedlich langer Wege erreichen die Teilwellen zu unterschiedlichen Zeiten die Empfangsantenne. Abhängig von den Amplituden dieser Teilwellen und den Phasenlagen zueinander resultieren daraus Signalstärken, die sich innerhalb eines geringen Variationsbereiches des Antennenstandortes (eine halbe Wellenlänge) um Zehnerpotenzen unterscheiden können.

Also, schau’n wir mal rein, in den »Wellensalat« ...

Blockschaltbild einer drahtlosen Nachrichtenübertragungsstrecke

Was gewiss jeder schon mal beobachtet hat, das sind standortabhängige Unterschiede in der Feldstärke. Feldstärke-Maxima und Minima wechseln sich in relativ geringen Abständen ab.

Bei B und D ist der Empfang gut, während bei A, C und E Schwund auftritt.

Doch nicht nur zu Fuß, perpedes - nein, auch mobil, Mercedes ...

Wenn man sich unter den Begriffen Funkfeld, Strahlungsfeld und Interferenz überhaupt nichts vorstellen kann, hilft vielleicht ein Experiment, das mit einfachen Mitteln durchführbar ist. Wie es geht, zeigt das nächste Bild.

Man nimmt ein Handfunkgerät (2 Meter oder 70 cm) mit einer Rundstrahlantenne (oder man nimmt eine an einen Empfänger angeschlossene Vertikal- Rundstrahlantenne) in die Hand, und setzt sich auf einen Bürodrehstuhl.

Dann stellt man den Empfänger auf ein schwach einfallendes Signal ein, zum Beispiel eine Relaisfrequenz. Je verrauschter dieses Signal ist, um so besser eignet es sich für dieses Experiment.

Dreht man sich nun mit dem Funkgerät in der Hand um die Drehachse des Stuhls, wird man feststellen, dass die Signalstärke des empfangenen Signals während einer Drehung um 360° deutlichen Schwankungen unterworfen ist. Je nach örtlicher Gegebenheit können diese Schwankungen so groß sein, dass an einer Stelle das Signal rauschfrei empfangen wird, an einem anderen Punkt hingegen überhaupt nicht zu hören ist.

Dieses Experiment erinnert an die Vorgehensweise, die Portabel- und Mobilstationen immer dann praktizieren, wenn eine Station mit geringer Feldstärke empfangen wird: Man sucht eine Stelle, an der das Signal der Gegenstation die größte Feldstärke in der eigenen Empfangsantenne induziert.

Warum schwankt die Signalstärke?

Eine Welle kommt selten alleine. Durch totale oder partielle Reflexion der Welle an der Erdoberfläche, an Berghängen, Gebäuden, aber auch infolge Streuung an Inversionsschichten der Troposphäre entstehen mehrere Ausbreitungswege zwischen Sender und Empfänger. Dies führt am Empfangsort zwangsweise zu Interferenzen.

Selbst bei freier Sicht zwischen Sende- und Empfangsantenne kommt es zu Schwunderscheinungen, die je nach Amplituden und Phasenlage mehr oder weniger stark ausgeprägt sind.

Ausbreitung und Überlagerung einer direkten und einer am Erdboden reflektierten Welle am Empfangsort.

Das nebenstehende Diagramm zeigt die Situation, wenn zwei Signale gleicher Leistung empfangen werden:
Bei 0° Phasendifferenz verdoppelt sich die Leistung (+3 dB) und bei 180° liegt die Dämpfung bei ca. -30 dB.

Beziehung zwischen Phasendifferenz und Amplitude aus Vektoraddition im Zweiwege-
Interferenzwellenfeld (logarithmische Ordinate) nennt man das. Was man sich freilich nicht merken muss.

Mit Hilfe der nachfolgenden interaktiven Animation können Sie gut beobachten, was bei Überlagerung zweier Signale mit gleicher Amplitude geschieht. Sie erkennen zwei Sinuskurven, eine rote und eine grüne. Die grüne Kurve hat dabei eine etwas größere Wellenlänge als die rote.

Mittels des über den Kurven befindlichen Schiebereglers lässt sich die Phasenlage der beiden Kurven zueinander verschieben und damit die Phasendifferenz verändern. Klicken Sie dazu mit der Maus in das Feld mit dem »Schieberegler«, der als vertikaler schwarzer Strich dargestellt ist.

Beobachten Sie nun, wie sich die blaue Kurve verändert. Die Änderung der Amplitude resultiert aus den Änderungen der Phasenlage der beiden grün und rot dargestellten Sinuskurven zueinander.

[Hinweis:
Falls die Animation nicht läuft, so ist auf Ihrem System Java nicht installiert.]

Empfangsantenne im Interferenzwellenfeld

Ultrakurze Wellen breiten sich geradlinig aus. Sie können aber auch reflektiert, gebrochen und geringfügig gebeugt werden.

Hindernisse und Ungleichmäßigkeiten im Ausbreitungsmedium bewirken Reflexion, Streuung, Brechung und/oder Beugung der elektromagnetischen Wellen, wodurch sich ihre Ausbreitungsrichtung ändert. Die Wellen können also von der Sendeantenne auf dem kürzesten (direkten) Weg oder – beziehungsweise zusätzlich – über (verschiedene) »Umwege« zur Empfangsantenne gelangen.
Hinzu kommt, dass diese Teilstrecken einer Mehrwegausbreitung unterschiedlich lang sind.

Am Ort der Empfangsantenne findet findet eine Überlagerung der Teilwellen statt, und die Phasendifferenz zwischen den einzelnen Teilwellen ändert sich mit der Frequenz. Dies bedeutet, dass diese Übertragungsfunktion abhängig von der Frequenz ist.

Andererseits besteht eine Abhängigkeit, wenn sich in Folge die räumliche Lage der Antennen zueinander ändert, wie dies beispielsweise bei bewegten Portabel- oder Mobilstationen der Fall ist. Man bezeichnet diese Eigenschaften, die in unmittelbarem Zusammenhang zueinander stehen, als frequenzselektiven und zeitvariablen Schwund.

Diese Schwunderscheinungen sind um so ausgeprägter, je näher die Amplituden der Teilwellen beieinander liegen. Sind sie gleich groß und beträgt die Phasendifferenz 180°, so erfolgt theoretisch eine Auslöschung.

Das Zweiwegemodell

Damit wir uns die Vorgänge besser vorstellen können, bedienen wir uns eines einfachen Modells. In nächsten Bild ist ein Zweiwegemodell dargestellt.

Zwischen der Sendestation und der Empfangsstation II besteht infolge Abschattung durch einen Hügel keine Sichtverbindung. Die vom Sender ausgehenden Wellen werden an zwei Berghängen reflektiert und gelangen zum Empfänger (als Mobilstation dargestellt).

Zusätzliche Phasendrehungen, hervorgerufen durch komplexe Reflexionskoeffizienten sowie Doppler-Erscheinungen bleiben unberücksichtigt, weil sie für diese Betrachtung nicht wichtig sind. Wir beachten also nur die Einflüsse der linearen Abhängigkeit von der Streckengeometrie. Eine weitere Annahme ist, dass beide Teilwellen in ihrer Amplitude gleich sind.

Am Empfangsort interferieren diese Teilwellen (sie überlagern sich), es entsteht ein »Interferenzraster«. Je nach Phasenlage der Teilwellen finden wir in diesem Raster Maxima und Minima der Feldstärke. In der Detaildarstellung (im Bild oben) sind die beiden Wellenfronten schematisch als »Momentaufnahme« dargestellt. Da vektorielle Addition der Teilwellen stattfindet, ist beispielsweise den »Kreuzungspunkten«, an denen die Phasenlagen 0° – 0° und  180° – 180° zusammentreffen, also bei Phasendifferenz Phi = 0°, jeweils ein Maximum (weil 1 + 1 = 2) gegeben.
An Stellen mit einer Phasendifferenz von Phi = 180° (0° – 180°, 90° – 270°) ist ein Minimum (weil 1 + (–1) = 0).

Je nach geometrischer Position kann die Empfangsantenne aufgrund der gegebenen Feldstärke dem Funkwellenfeld eine Empfangsleistung entnehmen, die zwischen den Extremen Minimum und Maximum liegt. Die Feldstärke im Interferenzwellenfeld kann um Zehnerpotenzen schwanken.

In der Skizze ist die räumliche Feldstärkeverteilung mit der Ordinate E als relative Feldstärke grafisch dargestellt. Die Zeigerdarstellungen der symbolisierten Messinstrumente an den Dipolantennen weisen ebenfalls auf die Feldstärkeunterschiede hin.

Erkennbar ist bei diesem Pegeldiagramm auch, dass sich ein Phasenunterschied von Phi = 90° noch kaum spürbar auswirkt (Faktor 0,707, also –3 dB). Erst der Bereich zwischen 90° und 180° führt zunehmend zu nennenswertem Schwund, der bei 180° am ausgeprägtesten ist und bei amplitudengleichen Teilwellen theoretisch zur Auslöschung führt.

Übertragen wir diesen Prozess auf eine bewegte Mobilstation, so können wir sagen, die Empfangsfeldstärke wechselt zwischen zeitlich relativ breiten Bereichen (Phasendifferenz Phi = 0°...150° sowie 210°...360°), in denen die Amplitude groß beziehungsweise ausreichend ist, und schmalen Bereichen (Phasendifferenz Phi = 150°...210° ), mit teils zur Aufrechterhaltung einer Funkverbindung nicht mehr ausreichenden Amplituden.

Diese Tiefschwundeinbrüche, die auch unter der Bezeichnung »Flatterfading« bekannt sind, können eine Funkverbindung völlig unbrauchbar machen.

Aufgrund verschieden langer Wege erreichen die Teilwellen zu unterschiedlichen Zeiten die Empfangsantenne. Bewegen sich die Funkstellen relativ zueinander, führt dies zu einer Variation von Amplitude, Phase und Laufzeit der Teilwellen. Die in der Skizze dargestellten Zustände sind »Momentaufnahmen«.
 

[Durch Klicken auf das Bild erhalten Sie in einem neuen Fenster eine Darstellung mit höherer Auflösung.]

Mehrwegausbreitung – Beispiele

Nachfolgend einige Beispiele von Mehrwegausbreitungen infolge partieller Reflexion an Berghängen und Bebauung, Streckendämpfung durch Vegetation und sonstige Hindernisse, sowie Reflexion an Flugzeugen.

Signal gelangt über zwei Ausbreitungswege zum Empfänger.

Direkt und über die Reflexion am Berg. Die Amplitude des direkt empfangenen Signals ist wesentlich größer als die des Reflexionssignals.

Folge:
Geringe Feldstärkeschwankungen infolge Interferenz am Ort der bewegten Station (Mobilstation).

Signal gelangt über zwei Ausbreitungswege zum Empfänger.

Streuungsdämpfung durch Vegetation auf der direkten Strecke.
Die Amplituden der Teilsignale liegen nah beieinander.

Folge:
Feldstärkeschwankungen infolge Interferenz bei der Mobilstation.
Schwundeinbrüche bis unter die Verständlichkeitsgrenze (Flatterfading).

Mehrwegausbreitung in bebautem Gebiet.

Mehrfachreflexion (hier am Hochhaus und Baukran dargestellt), sowie Streuungsdämpfung und Beugung.

Folge:
Feldstärkeschwankungen bei der Mobilstation infolge Interferenz und unterschiedlicher Felddämpfung. Schnelles Flatterfading.

Sporadisch auftretendes Fading.

Dämpfung durch Vegetation auf dem direkten Ausbreitungsweg. Zusätzlich ist bei diesem Beispiel ein von einem Flugzeug reflektiertes Signal im Spiel.

Folge:
Geringe bis starke Feldstärkeschwankungen bei der Feststation infolge Interferenz für die Zeitdauer des Überflugs.

Schwund durch Frequenzänderung

Bisher betrachteten wir das Interferenzwellenfeld unter dem Aspekt, dass sich die Geometrie der Ausbreitungsstrecke ändert (eine bewegte Portabel- oder Mobilstation etwa verursacht eine solche Änderung), die Betriebsfrequenz aber gleich bleibt.

Nun ist es aber so, dass sich bei einer Änderung der Betriebsfrequenz – und damit der Wellenlänge – das »Funkfeldraster« mit seinen Feldstärke-Maxima und -Minima auch verschiebt, wenn die Teilstrecken bei Mehrwegausbreitung unterschiedliche Längen aufweisen (was in der Praxis nahezu immer der Fall ist).

Ein Beispiel aus der Praxis mag hier für die nicht seltene Konfrontation mit dieser Gegebenheit stehen: Bei vielen Relaisfunkstellen werden Sender und Empfänger – über Frequenzweichen (Duplexer) entkoppelt – an einer gemeinsamen Antenne betrieben.

Argument hierfür ist oft: »Nur bei Betrieb an einer gemeinsamen Antenne sind für den Sender und Empfänger deckungsgleiche Strahlungsdiagramme gegeben.«

Diese Annahme stützt sich auf Reziprozitätstheorem, welches besagt, dass normalerweise alle Antennenanordnungen, die keine speziell nichtreziproken Bauteile, wie Ferrite oder aktive Verstärker enthalten, bezüglich Impedanz, Gewinn und Richtdiagramm für den Sende- und Empfangsfall identisch sind. Wenn also die charakteristischen Eigenschaften sowohl für den Sende- als auch den Empfangsbetrieb gleich sind, wäre eigentlich davon auszugehen, dass der Betrieb an einer gemeinsamen Antenne tatsächlich optimal ist.

Diese Schlussfolgerung ist zwar grundsätzlich richtig: Impedanz, Gewinn und Richtdiagramm sind tatsächlich gleich. Aber dennoch kann auf einer Frequenz (zum Beispiel auf der Sendefrequenz eines Relais) die Feldstärke völlig ausreichend sein, auf einer anderen Frequenz (beispielsweise auf der Empfangsfrequenz eines Relais) kommt das Signal aber zu dünn an. Grund hierfür ist, dass die effektive »Streckendämpfung« zwischen Relais und verbundener Station auf der Empfangsfrequenz infolge Schwund wesentlich größer ist, als auf der Sendefrequenz.

Solange die Betriebsfrequenz einer Funkverbindung für beide Wege gleich ist, fällt frequenzselektiver Schwund nicht auf. Entweder ist die Verbindung brauchbar oder sie ist es nicht. Dann hören sich beide Stationen gegenseitig – oder eben nicht.

Frequenzselektiver Schwund ist allenfalls dann wahrnehmbar, wenn beide Stationen die Frequenz wechseln und dort die Streckendämpfung größer ist. Wenn man unter Verwendung ortsfester Antennen bei einer Zweiwegefunkverbindung die Frequenz ändert, kann es durchaus vorkommen, dass beide Stationen sich auf einer Frequenz einwandfrei hören, einige Kilohertz daneben aber die Verbindung wesentlich schlechter ist – oder besser.

In dem folgenden Bild ist schematisch eine Zweiwegefunkverbindung mit zwei unterschiedlich langen Ausbreitungsstrecken (d_R1 und d_R2) dargestellt. Darunter sind diese Teilstrecken für zwei Betriebszustände mit unterschiedlicher Frequenz als Gerade zu sehen. Zur bessern Verständlichkeit sind die Phasenlagen der Wellen als Sinuskurven dargestellt.

Bei der ersten Darstellung (Frequenz f₁) überlagern sich die Teilwellen mit einer Phasendifferenz Phi = 0°.
In der zweiten Darstellung (Frequenz f₂) erkennen wir, dass die Strecken gleich lang sind, die Wellenlänge unterscheidet sich jedoch durch die andere Frequenz. Die Folge ist eine Überlagerung mit einer Phasendifferenz Phi = 180°, also theoretisch Auslöschung, praktisch starke Dämpfung.

Frequenzselektiver Schwund tritt immer auf, wenn Mehrwegausbreitung vorliegt und die Strecken unterschiedlich lang sind. Längendifferenz und Frequenzabstand von Maxima und Minima stehen in einem Zusammenhang. Je größer der Längenunterschied, um so geringer ist dieser Abstand. Wie extrem die Schwundeinbrüche sind, hängt von den Amplituden der Teilwellen und der Anzahl der Ausbreitungswege ab.

Frequenzselektiver Schwund
infolge Mehrwegausbreitung über unterschiedlich lange Teilstrecken. Die Lage des Interferenzwellenfeldes verschiebt sich bei Änderung der Frequenz.

Bei Betrachtung der beiden Beispiele, bei denen die Strecken gleich sind, aber die Frequenzen (f₁ und f₂) unterschiedlich, wird verständlich, warum man beispielsweise ein Relais rauschfrei hört (auf der Frequenz f₁), aber umgekehrt nicht »drüberkommt«, weil man ja - bedingt durch die Shift - auf einer anderen Frequenz (f₂) sendet.

Der Grundsatz, dass es hin und zurück gleich gut (oder schlecht) geht, trifft nur dann zu, wenn beide Stationen auf der gleichen Frequenz senden und empfangen.

Es macht daher keinen Sinn, eine Relaisfunkstelle wegen für den Sender und Empfänger identischen Ausbreitungsdiagrammen zu betreiben.

Dies ist, bedingt durch die Frequenzshift, nicht gegeben.

Insbesondere im 2m-Band ist es aufgrund der Shift von nur 600 kHz sinnvoll, für Empfänger und Sender getrennte Antennen zu verwenden, um so eine bessere Entkopplung zwischen Sender und Empfänger zu erreichen.

Bei der Gelegenheit: Noch eine interessante Erscheinung:

Das Bild erklärt ein weiteres interessantes Phänomen, das allerdings unabhängig davon auftritt, ob die Funkverbindung auf direktem Wege oder via Relais besteht.

Frequenzmodulation kann bis zur völligen Unverständlichkeit verzerrt werden, wenn die Phasendifferenz der Teilwellen mit nahezu gleicher Amplitude um 180° beträgt. Aufgrund des Frequenzhubes trifft dies nur auf einer Frequenz zu. Oberhalb und unterhalb ist die Dämpfung geringer. Dies wirkt sich, wie in vorstehendem Bild vereinfacht dargestellt, auf die Gruppenlaufzeit aus.

Doch nun wieder zurück zum Funkwellenfeld. Wir haben gesehen, dass das Funkwellenfeld nicht homogen ist. Sofern wir mobil oder portabel arbeiten, versuchen wir durch Änderung des Antennenstandortes eine Stelle zu finden, an der wir die Gegenstation (beispielsweise ein Relais) mit maximaler Feldstärke empfangen können.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass unsere Sendung auf einer anderen Frequenz bei der Gegenstation (dem Relais) gleich stark ankommt. Womöglich kommen wir dort schlecht oder gar nicht an. Der Grund dafür ist klar: Unterschiedliche Sende- und Empfangsfrequenz.

Nun arbeitet eine Relaisfunkstelle automatisch. Es ist niemand da, der einen besseren Standort für die Antenne suchen könnte.

Aber womöglich gibt es ja eine Möglichkeit, dass sich die Empfangsantenne am Relais selbst eine Stelle für optimalen EMpfang sucht.

Erinnern wir uns an unser Drehstuhl-Experiment:

Zwar können wir dies bei der Empfangsantenne der Relaisfunkstelle nicht genauso realisieren, wenn wir aber das Feldstärke-Diagramm betrachten, bemerken wir, dass ein paar Stellen auch ganz gute Ergebnisse bringen würden, zum Beispiel 0°, 90°, 180° und 270°.

Nachdem manuelles Drehen sehr lange dauert, kann man auch vier Antennen einsetzen, die nacheinander umgeschaltet werden.

Eine derartige AntennenDiversity kann dann zum Beispiel so aussehen:

Ein Dipol-Array, bestehend aus vier Einzeldipolen (auch Groundplane-Antennen sind möglich, auch übereinander gestockte Gruppen. Diese Antennen werden elektronisch umgeschaltet (z. B. mittels PinDioden). Die Feldstärke jeder einzelnen Antenne bzw. Antennengruppe (A1 ... A4) wird gemessen und der Wert gespeichert. Nach einem Messdurchgang wird die Antenne mit dem besten Signal permanent mit dem Empfänger verbunden. PinDioden-Schalter und einfache MikroControler (z. B. PIC) erlauben ausreichend genaue Messungen der Feldstärke bei kurzen Messzeiten.

Bei DBØUA beträgt die Messdauer für acht Antennenkofigurationen, die bei jeder Squelchöffnung am Relaisempfänger durchgeführt wird, etwas mehr als 200 Millisekunden, was in der Praxis kaum wahrnehmbar ist.

Übrigens ...

... ist das auch eine Möglichkeit, AntennenDiversity zu machen ...

[Die bei DBØUA - 2m realisierte AntennenDiversity ist hier beschrieben]