Passive Repeaterantennen (war:Was tun bei Funkloch im Buero?
Hartmut Lehmann
<sockp...@hanno.de> writes:
>
>Nun habe ich fuer Autos eine Art Antennen-Weiterleitung gesehen -
>Antennte draussen, Antenne drinnen, beide miteinander verbunden, das
>ganz ohne irgendwelche Verstaerker oder Stromversorgung, man klemmt es
>zwischen die Scheibe und es sieht ein wenig abenteuerlich aus.
Ist es auch.
Da aber passive Repeater-Antennen offensichtlich sehr in Mode
kommen und ich schon mehrere Anfragen diesbezüglich per mail
bekommen habe, habe ich für die Antennen-FAQ einen Artikel dazu
vorbereitet, den ich vorab in die NG stellen möchte.
Kritik und Diskussion erwünscht !
MfG
Hartmut
Passive Repeaterantennen - Sinn oder Unsinn ?
Immer wieder trifft man im Handel auf sogenannte "passive Repeaterantennen".
Sie bestehen aus zwei Antennenstrahlern (einen für den Innen- einen anderen für
Außenraum von Fahrzeugen und Räumen), die entweder durch ein kurzes Stück Kabel
oder über zwei Platten miteinander gekoppelt sind. Die Werbung verspricht für
diese Antennen eine wesentliche Verbesserung des Handyempfangs in Fahrzeugen
oder geschlossenen Räumen.
Der Frage, ob und in welchem Maße das möglich ist, soll in diesem Artikel
nachgegangen werden. Dabei sollen (und können ) nicht einzelne Produkte
beurteilt werden. Es können nur die physikalischen Grenzen der passiven
Repeaterantennen aufgezeigt werden. Der Leser muß sich daraus ein eigenes Bild
darüber machen, ob die Anschaffung einer Repeaterantenne lohnt.
1. Die Grundlagen: Nahfeld- oder Fernfeldbetrachtung ?
Im Normalfall ist im Mobilfunk der Abstand zwischen der Sende- und
Empfangsantenne sehr groß, verglichen mit den Abmessungen der Sendeantenne und
der Wellenlänge. Vom Empfangsort aus betrachtet scheint dann die
Antennenstrahlung von einem einzigen Punkt, dem sogenannten Phasenzentrum,
auszugehen. In diesem Fall befindet sich die Empfangsantenne in der
Fernfeldregion. Im Fernfeld kann eine ebene Front der abgestrahlten elektromag.
Welle angenommen werden; d.h. Flächen gleicher Phase sind parallele Ebenen.
Diese Tatsache vereinfacht die Berechnung der zwischen (Handy-)Sendeantenne und
(Repeater)- Empfangsantenne übertragenen Leistung wesentlich, da hier statt der
exakten Berechnung strahlungsgekoppelter Dipole (Eine beliebte, wenn auch von
den Studenten gehaßte Übungsaufgabe in der Elektrodynamik - Vorlesung !)
vereinfachte geometrische Berechnungen anwendbar sind.
Der Abstand r von der Antenne, ab dem eine Fernfeldverteilung angenommen werden
kann, liegt für eine Antenne der Länge X bei einer Wellenlänge L bei r >
2X^2/L.
Für das 900MHz- Band (D-Netz) beträgt die Wellenlänge ca. 33 cm, die Dimension
einer Mobilfunkantenne liegt normalerweise unter einer halben Wellenlänge (16
cm), damit kann ab einem Abstand von ca. 15 cm zwischen Handy - und
Repeaterantenne mit den Formeln für das Fernfeld gerechnet werden .
2. Die Antennen-Kenngrößen
Eine angenommene Sendeantenne mit idealer kugelförmiger Abstrahlung erzeugt im
Abstand R vom Phasenzentrum bei einer Sendeleistung Ps eine Leistungsdichte
P = Ps / 4R^2 [W / m^2 ].
Dies ist die Leistung pro Flächeneinheit, die bei einer Empfangsantenne im
Abstand R von der Sendeantenne maximal ankommt.
(Bei einer realen Sendeantenne muß noch der Antennengewinn G des Senders
berücksichtigt werden, auf den wir aber erst später eingehen.)
Damit wir aus der Leistungs d i c h t e im Raum die aufgenommene Leistung an
der (Empfangs-) Antenne gewinnen können (denn nur die ist letztendlich
interessant), müssen wir eine Antennenwirkfläche A0 [m^2] definieren. Die
Wirkfläche ist eine Fläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der
elektromagnetischen Welle; sie liegt also bei einer kugelförmigen
Abstrahlcharakteristik in der Tangentialebene einer Kugeloberfläche.Die
Wirkfläche ist wie der Antennengewinn abhängig von der Antennenform.
Für einen L/2 Dipol, mit dem wir als Modellantenne die üblichen
Mobilfunkantennen (L/4- und 5/8L- Strahler) gut nach oben abschätzen können,
beträgt der Gewinn 1,64 dBi und die Wirkfläche 1,64L^2/4pi. (= ca. 140 cm^2 für
900 MHz / D- Netz).
3. Die Empfangsleistung Pe und die Raumdämpfung D
Hat eine Empfangsantenne die Gewinnfläche A0, so berechnet sich die
Empfangsleistung Pe [W ]dieser Antenne unter Berücksichtigung des
Antennengewinns des Senders zu
Pe = Gs *A0 / 4piR^2.
In der o.a. Formel fällt auf, daß im Fernfeld eines Dipols sowohl Gs als auch
A0 klein gegen R^2 sind, für eine Abschätzung also ohne weiteres vernachlässigt
werden könnten.
Dominierend für den Verlust an nutzbarer Sendeleistung zwischen Handy- und
Repeater(innen)antenne ist also der reine Abstand zwischen beiden Antennen. Das
entscheidende Maß, welcher Bruchteil der Sendeleistung tatsächlich an der
Repeater(innen)antenne ankommt, ist damit die Raumdämpfung D:
D = ( 4piR / L)^2 oder (in dB) D' = 20 log ( 4piR / L)
(Es soll noch kurz angemerkt werden, daß die "Raumdämpfung" keine Dämpfung im
physikalischen Sinne ist, sondern lediglich die zunehmende "Verdünnung" der
Leistungsdichte bei wachsender Entfernung von der Sendeantenne ausdrückt.)
4. Beispielrechnung
Für 900 MHz und 33 cm Wellenlänge (D- Netz) sowie 50 cm Abstand zwischen Handy
und Repeaterantenne ergibt sich mit obiger Formel eine Raumdämpfung von ca. 25
dB, d.h. bei 2 W vom Handy abgestrahlter Leistung kommen mal gerade noch 5,5 mW
an der Repeaterinnenantenne an. Wieviel davon noch von der "Aussenantenne" des
Repeaters abgestrahlt werden, bleibt der Fantasie des Lesers überlassen.
Übrigens, normale Glas hat bei 1 GHz eine Dämpfung von 8 dB/m (!), EmiClare®
Glass (ein weit verbreitetes Spezialglas für elektromagnetische Abschirmung) 55
dB. Irgendwo dazwischen dürfte wohl die Dämpfung der Metallbeschichtung von
Thermo- Autoglascheiben liegen.
5. Schlußfolgerungen
Nach der persönlichen Meinung des Autors kann eine passive Repeaterantenne nur
dann sinnvoll sein, wenn zwischen Handyantenne und Freiraum ein stofflich oder
räumlich bedingter Feldstärkeunterschied von > 20 dB besteht. Das dürfte i.d.R.
nur in einem Auto mit verspiegeltem Wärmeschutzglas oder im Funkschatten hinter
einer Stahlbetonbewehrung der Fall sein. Selbst dann muß man aber mit dem Handy
so dicht an die Repeater- Innenantenne heran, daß sich die Frage stellt, ob
nicht eine direkte (galvanische oder induktive) Kopplung des Handys an die
Antennenleitung sinnvoller wäre.
Disclaimer: Die angestellten Rechnungen vernachlässigen Polarisations- und
Resonanzeffekte (Strahlungskopplung). Letztere sind im Übergangsbereich
zwischen Fern- und Nahfeld durchaus möglich (und werden in Mehrelement -
Antennen wie z.B. der Yagi genutzt), sind aber an eine recht geringe
Variationsbreite im Abstand von Handy- und Repeaterantenne gebunden. Die
Herstellung einer resonanten Struktur bei freihändigem Telefonieren kann als
unwahrscheinlich angenommen werden.
Quellen:
[1] Meinke, Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer Verlag
[2] Zinke, Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Teil I,. Springer Verlag
2000
Matthias Fonfara
Schön wäre, wenn Du Dich mit Henning einigen kannst und es bei Ihm mit
in die GSM-FAQ eingebaut wird.
Gruß,
Matthias
Axel Berger
HL>Pe = Gs *A0 / 4piR^2.
HL> In der o.a. Formel fällt auf, daß im Fernfeld eines Dipols sowohl Gs
HL>als auch A0 klein gegen R^2 sind, für eine Abschätzung also ohne
HL>weiteres vernachlässigt werden könnten.
Nö. Erstens brauchst Du A0 um die Dimension von R^2 zu kompensieren und
zweitens heißt "vernachlässigbar klein" "wenn es noch kleiner wird,
ändert sich nix". Nimm statt 140 cm^2 14 mm^2 und die Leistung wird um
den Faktor 1000 kleiner.
--
Tschö wa
Axel
Hartmut Lehmann
(Matthias Fonfara) writes:
>Schön wäre, wenn Du Dich mit Henning einigen kannst und es bei Ihm mit
>in die GSM-FAQ eingebaut wird.
>
War eigentlich so gedacht, meine "Antennen-FAQ" hat dort schon
ein warmes Plätzchen ;-). Ich denke, wenn mir keiner meinen
Artikel "zerfetzt", wird Henning auch nichts dagegen haben.
MfG
Hartmut
Hartmut Lehmann
Berger) writes:
Ich habe aber nicht "vernachlässigbar klein" geschrieben (übrigens
genau aus diesem Grund) ;-). Die Wirkfläche ist wie der Gewinn für
einen bestimmten Antennentyp (hier eben Dipol) konstant, d.h ich
teile im o.a. Beispiel eine (kleine) Konstante durch eine Variable.
Will ich diese Konstante ändern, so muß ich den Antennentyp ändern.
In der Praxis der Mobilantennen (vertikale Rundstrahler) wird
sich aber Gs und A0 nie weit (jedenfalls nicht um Größenordnungen)
vom Dipol entfernen.
MfG
Hartmut