Funksysteme: Antennentechnik

Hochfrequenzwellen breiten sich – wie der Name schon sagt – in Wellenform aus und gehorchen deshalb auch folgender Gleichung:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c von Hochfrequenzwellen ist die Lichtgeschwindigkeit. Die Formel zeigt:

• je höher die Frequenz f,
• desto kleiner die Wellenlänge λ.

Dies hat zur Folge, dass je höher die Frequenz, desto geringer ist  die Fähigkeit sich um Hindernisse zu beugen. Hohe Frequenzen (UHF)  werden also von metallischen Hindernissen abgeschattet. Deshalb sollte  immer eine Sichtverbindung zwischen den Antennen (insbesondere bei UHF  oder gar 2,4 GHz Systemen) bestehen.
Der nächste wichtige Punkt bei der Antennenpositionierung ist das  Abstrahlverhalten von Antennen. Folgendes Bild zeigt näherungsweise das  Abstrahlverhalten (bzw. auch das Empfangsverhalten) von so genannten  λ/2-Antennen.

Klar zu sehen ist, dass in Antennenachse keine Abstrahlung erfolgt.  Quer zur Antenne ist die Abstrahlung am größten, weshalb ein steiler  Winkel zwischen Antennen vermieden werden sollte. So ist es  beispielsweise nicht zu empfehlen, die Antennen unterhalb einer Traverse  zu platzieren, wenn sich der Taschensender auf Hüfthöhe befindet.

Übrigens gibt es keine Sende- und Empfangsantennen – jede Antenne  kann sowohl zum Senden wie auch Empfangen genutzt werden. Eine Ausnahme  bilden hier aktive (Empfangs-) Antennen. Das liegt an dem Vorverstärker,  der direkt auf der Antenne platziert ist. Dieser kann nur „in eine  Richtung“ betrieben werden.

Ein dritter Punkt ist die Polarisation. Eine HF-Welle weist immer  einen elektrischen und magnetischen Teil auf. Die beiden Teilwellen  haben einen Versatz um 90°, wie im Bild zu sehen ist.

Je nach dem in welche Richtung der elektrische Teil zeigt, spricht man von horizontaler oder  vertikaler Polarisation. Im Bild ist die vertikale Polarisation dargestellt. Aufgrund der Polarisation ist zu beachten, dass man  Antennen parallel anordnet: ist nämlich ein Versatz der beiden Antennen  um 90° vorhanden, so wird eine Übertragung unmöglich (bzw. in der Praxis durch Reflexionen stark vermindert). Es sollte also  vermieden werden, die Antennen am Empfänger waagrecht zu stellen  (horizontal polarisiertes Feld) und beispielsweise den Taschensender mit seiner Antenne am Hosenbund so zu befestigten, dass die Antenne vertikal positioniert ist.

Fazit: Antennen so parallel wie möglich und in Sichtverbindung aufstellen.

Praxistipp 

In der praktischen Anwendung  hat sich bei Diversity-Systemen herausgestellt, dass die Empfangsantennen am besten 45° nach außen gestellt werden sollten. Dies  gilt insbesondere in Kombination mit Handsendern, die horizontal und  auch vertikal gehalten werden können.

Um die Reichweite bzw. die Betriebssicherheit zu erhöhen, können  Richtantennen verwendet werden. Diese weisen eine Vorzugsrichtung auf,  in der besonders gut empfangen (bzw. abgestrahlt) wird. Man spricht hier  vom Gewinn einer Antenne. Der typische Gewinn einer logarithmisch  periodischen Antenne, die von Shure angeboten werden (z.B. UA874 oder  PA805), beträgt etwa 7 dB und der Öffnungswinkel liegt bei 90° - 100°.

Richtantennen werden generell mittels eines Koaxial-Kabels vom  Empfänger abgesetzt, das Verluste aufweist. Je nach Qualität des Kabels  liegen diese Verluste bei 10 - 50 dB pro 100 Meter. Die Kabelverluste  sollten mittels eines HF-Verstärkers wieder aufgeholt werden. Dabei ist  zu beachten, dass nicht mehr als die Kabelverluste aufgeholt wird. Eine  zu hohe Verstärkung produziert Intermodulationen wodurch die  Kompatibilität eines Setups nicht mehr gewährleistet ist. Auf der  Richtantenne UA874 ist deshalb ein HF-Verstärker integriert. Dieser kann  auf +12 oder +6 dB Verstärkung (bzw. für Große Setups mit kurzen Kabeln  auch 0 oder gar -6 dB.) eingestellt werden um die Kabelverluste  aufzuholen. Für abgesetzte passive Antennen (UA8, PA705, …) kann der  HF-Verstärker UA834 genutzt werden.

Wichtig ist darüber hinaus die gegenseitige Beeinflussung von  Antennen. Antennen entziehen einer elektromagnetischen Welle Energie.  Liegen nun zwei Antennen recht nahe beieinander - beispielsweise durch  das Montieren von mehreren Empfängern direkt übereinander in einem Rack –  so bekommen beide Antennen weniger Energie als wenn nur eine Antenne  verwendet werden würde. Dadurch sinkt die Reichweite bzw. die  Betriebssicherheit. Aus diesem Grund sollten bei größerer Kanalanzahl  Antennen-Splitter (z.B. Shure UA844, UA845) verwendet werden.

Diversity 

Das HF-Signal eines  drahtlosen Mikrofons wird in der praktischen Anwendung immer sowohl  direkt als auch reflektiert (über Wände, Decken usw.) zur  Empfangsantenne gesendet. Beträgt der Wegunterschied der beiden  Teilwellen eine halbe Wellenlänge, so löschen sich direktes und  reflektiertes Signal gegenseitig aus, es entsteht ein Drop Out.

Aus diesem Grund sind professionelle Empfänger mit zwei Antennen  ausgestattet und arbeiten mit dem Diversity-Effekt. Steht nun eine  Antenne im Drop Out Punkt, so ist immer noch eine weitere Antenne für  den Empfang bereit.

Bei dem so genannten „Antenna Switching Diversity“ wird bei  schlechtem Empfang auf die jeweils andere Antenne umgeschaltet. Nachteil  ist, dass kein Vergleich zwischen den einzelnen Signalen möglich ist,  d.h. es ist nicht klar, welche Antenne nun wirklich das bessere Signal  empfängt. Außerdem besteht die Gefahr, dass das Schalten der Antenne  durch ein Knacksen hörbar ist.

Beim „True Diversity“ oder „Audio Diversity“ wird aus beiden  Antennensignalen erst einmal ein Audio-Signal gewonnen. Somit stehen  zwei Audiosignale zur Verfügung die bewertet werden können. Das bessere  Audio-Signal wird zum Audio-Ausgang des Empfängers geleitet.

Der optimale Abstand von dem Diversity-Antennen-Paar ist eine Wellenlänge – bei UHF-Signalen also etwa 40 cm.