Mobilfunk-Antennentechnik

 

Auf dieser und den beiden Folgeseiten finden sich einige praxisrelevante Grundlagen zur Antennentheorie sowie eine Übersicht der gängigen Mobilfunkantennen und Antennensysteme für Basisstationen:

Etwas Antennentheorie und Merkmale von Antennen
Mobilfunkantennen für Basisstationen
Basisstations-Antennenanordnungen

Etwas Antennentheorie und Merkmale von Antennen

Antennen sind Wandler zwischen einer leitungsgeführten Welle und einer Freiraumwelle, also sie empfangen oder senden elektromagnetische Wellen.
Die einfachste Antenne ist der nur in der Theorie existierende, unendlich kleine "Isotrope Kugelstrahler", der gleichmäßig und verlustfrei in alle Raumrichtungen abstrahlt bzw. empfängt.
In der Praxis haben jedoch alle Antennen eine gewisse Baugröße, strahlen nicht in alle Richtungen gleich ab und sind nicht verlustfrei. Es gibt sie je nach Frequenzbereich und Anwendungszweck in unterschiedlichen Bauformen und sie beruhen auf unterschiedlichen Konzepten.

Im Frequenzbereich des Mobilfunks arbeiten viele Antennen nach dem Prinzip des Halbwellen-Dipols, den man sich wie einen aufgetrennten Zweidrahtleiter vorstellen kann, von dem sich die Welle in den Freiraum abtrennt:

 

Unterschied zwischen dem Nah- und Fernfeld einer Antenne

Betrachtet man die von einer Antenne erzeugte Wellenfront aus großer Entfernung, so scheint diese wie von einem einzelnen Punkt auszugehen und eben zu sein. Je näher man nun zur Antenne kommt, desto "gekrümmter" wird diese Wellenfront und der Verlauf der Feldstärke entspricht nicht mehr den weiter entfernt geltenden Gesetzen. Hier stehen die magnetischen und elektrischen Feldlinien dann auch nicht mehr senkrecht aufeinander und die Strahlungsleistung kann nicht alleine aus der Messung der elektr. Feldstärke bestimmt werden.
Dieser Umstand ist wichtig für die rechnerische (und meßtechnische) Erfassung von Feldstärken oder Strahlungsleistungen, etwa für Emissionsmessungen an Handys, wo der Meßwert sehr dicht bei der Sendeantenne genommen wird.

Man unterscheidet zwischen insgesamt drei unterschiedlichen Feldregionen, deren Grenzen allerdings nicht scharf definiert sind, sondern fließend ineinander übergehen:

Die Blind-Nahfeldregion: Diese Region umschließt unmittelbar die Antenne, die Feldstärke fällt (grob vereinfacht) etwa mit dem Quadrat der Entfernung ab und die elektrische und magnetische Feldstärke müssen voneinander unabhängig betrachtet werden. Eine sinnvolle Erfassung der biologisch relevanten Stärke des Feldes kann nur über den SAR-Wert gemacht werden.
In diesem Bereich befindliche leitende Gegenstände beeinflussen nicht nur den Verlauf der Feldstärke, sondern auch die Charakteristik der Antenne als solche. Dies ist ein wichtiger Faktor z. B. bei der Entwicklung von Handy-Antennen.
Die strahlende Nahfeldregion:

Diese Region beginnt in einer Entfernung zur Sendeantenne von etwa einem Viertel der Wellenlänge. Die Feldstärke fällt hier zwar bereits proportional zur Entfernung ab, jedoch ist der Verlauf der Feldlinien noch deutlich gekrümmt. Auch hier müssen die elektr. und magnetische Feldstärke noch getrennt gemessen werden.
Berechnungen in diesem Bereich können entweder nur näherungsweise oder mit großem Aufwand durchgeführt werden (Siehe hierzu: Berechnungen im Nahfeld von Antennen)

Die Fernfeldregion:

Das Fernfeld ist dadurch gekennzeichnet, daß man die elektrischen und magnetischen Feldstärken ineinander umrechnen kann und sie beide gleichzeitig in Phase schwingend auftreten.

Diese Region beginnt bei einer Entfernung von: bei Antennen mit D>
  bei Antennen mit D<
Die elektr. Feldstärke berechnet sich hier zu:
wobei:

D. Antennenlänge   [m]
d: Entfernung         [m]
: Wellenlänge      [m]
G: Antennengewinn
P: Sendeleistung   [W]

Bei üblichen Basisstations-Mobilfunkantennen beginnt diese Fernfeldzone somit in einer Entfernung von 10 - 20 Meter, bei Handys in wenigen Zentimetern.

 

 

Richtwirkung und Antennengewinn

Der in der Praxis nicht existierende "isotrope Kugelstrahler" strahlt seine Leistung gleichmäßig in alle Richtungen ab. Da sich diese Leistung damit auf die Fläche einer Kugel verteilt, deren Größe von dem Abstand (d) zur Antenne abhängt, kann man sie nun folgendermaßen berechnen, sie nennt sich dann Leistungsflussdichte (oder Leistungsdichte) [S] :

Sobald eine Antenne nicht kugelförmig in den Raum abstrahlt, sondern ihre Energie auf bestimmte Bereiche konzentriert, spricht man von einer Richtantenne. Für diese kann man einen Richtfaktor angeben, welcher durch ihre Richtcharakteristik bestimmt ist. Im Fall einer als verlustlos angenommenen Sendeantenne ist dieser Richtfaktor gleich dem Antennengewinn, welcher bei Richtantennen einer der wichtigsten Parameter ist.
Der Antennengewinn wird als lineares Verhältnismaß als Antennengewinnfaktor bezeichnet und berechnet sich zu:

Der Antennengewinn wird auch oft in dem dimensionslosen logarithmischen Verhältnismaß Dezibel in Relation zum isotropen Kugelstrahler [dBi] ausgedrückt. Er berechnet sich aus dem Antennengewinnfaktor (G) zu:

Der Antennengewinn ist kein realer Gewinn in Sinne einer Verstärkung, sondern sondern bringt lediglich zum Ausdruck, daß sich die abgestrahlte Leistung auf einen bestimmten Teil des Raumes (der "Kugel") konzentriert.
Sendeleistungen von Sendeanlagen werden oft unter Berücksichtigung des Antennengewinns angegeben und erreichen dadurch mitunter scheinbar überraschend hohe Werte (siehe hierzu: EIRP und ERP).

 

 

Das Antennenrichtdiagramm

Die Richtcharakteristik einer Antenne stellt man normalerweise in der Kombination aus einem Horizontal- und Vertikalwinkeldiagramm dar:

Das jeweilige Kreisäußere kennzeichnet dabei die maximale Abstrahlung der Antenne, während zur Kreismitte hin der winkelabhänge relative Abfall der abgestrahlten Leistung in dem logarithmischen Dämpfungsmaß Dezibel angegeben ist.
In diesem Beispiel eines Halbwellendipols erkennt man, daß diese Antenne horizontal gleichförmig abstrahlt und vertikal eine Richtwirkung aufweist.

Als Öffnungswinkel (im Beispiel 78°) bezeichnet man jeweils die Punkte, wo die Leistung gegenüber dem Maximum auf die Hälfte (- 3 dB) abgefallen ist, eine andere Bezeichnung dafür ist die Halbwertsbreite.
Der theoretische Gewinn des Halbwellendipols beträgt 2,15 dBi, was einem Antennengewinnfaktor von 1,641 entspricht. Die Antenne strahlt also in ihrer Hauptstrahlrichtung um das 1,641-fache gegenüber einem isotropen Kugelstrahler ab.

Da sich der Halbwellendipol als existierende Antenne leicht realisieren lässt, wird sein Gewinn von 2,15 dBi gerne als Bezugsgröße angenommen. Den Gewinn anderer Antennen bezieht man dann auf diesen Wert (in dB); möchte man den Gewinn auf einen isotropen Strahler beziehen, so bezeichnet man ihn wieder mit der Einheit dBi und muß den Wert von 2,15 hinzuaddieren.

Man kann für horizontal und vertikal bündelnde Richtantennen bei Kenntnis der jeweiligen Öffnungswinkel den Gewinn mit folgender Formel in etwa abschätzen:

 

Haupt- und Nebenzipfel

Bei Richtantennen bildet sich nicht nur die in die Hauptsenderichtung zeigende Hauptzipfel, sondern auch in andere Richtungen zeigende Nebenzipfel (oder Nebenkeulen genannt) aus.

Horizontales Richtdiagramm mit einer Haupt- und mehreren Nebenzipfeln (Beispiel)

Bei den im Mobilfunk üblichen Richtantennen ist die in den Nebenzipfeln abgestrahlte Leistung etwa um den Faktor 50 - 100 geringer als die in der Hauptsenderichtung.

 

Besonderheiten von Empfangsantennen

Obwohl man sowohl Sende- wie Empfangsantennen durch die gleichen Parameter charakterisieren kann (z. B. dem Gewinn), verwendet man bei Empfangsantennen eine weitere anschauliche Größe, die Absorptionsfläche. Diese berechnet sich zu:

Man kann sich die Absorptionsfläche als eine zur Ausbreitungsrichtung der Welle senkrechte Fläche vorstellen, aus der bei gegebener Leistungsflussdichte die Empfangsleistung entnommen wird.
Statt Absorptionsfläche werden auch die Begriffe Wirkfläche oder effektive Antennenfläche verwendet.

 

Literatur und Referenzen:

Mobilfunk - Antennentechnik
Grundlageninformation des Antennenherstellers Kathrein (46 Seiten, 943 KB)
Antennen
Eine überschaubare Einführung in die Antennentheorie als Vorlesungsbeilage von der Züricher Hochschule (18 Seiten, 399 KB).
Rundfunk-Sendeantennen im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich
Eine sehr gut gemachte Übersicht.
Meinke, Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, vierte Auflage (Studienausgabe), Springer Verlag 1986
Cenelec EN 50383: Basisstandard für die Berechnung und Messung der Exposition von Personen gegenüber elektromagnetischen Feldern durch Mobilfunk-Basisstationen und stationäre Teilnehmergeräte von schnurlosen Telekommunikationsanlagen (110 MHz - 40 GHz)

 

 

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Zuletzt geändert: 12.07.08