Technik - USKA

Technik
Deep-Space Antennen (1. Teil)
Willi Göldi HB9PZK
Internationales Teamwork mit Schweizer
Beteiligung: Die äusseren Einflüsse
und technischen Anforderungen für
Funkverbindungen im Mikrowellenbereich
unterscheiden sich teilweise
deutlich von den Randbedingungen
im HF-Bereich. Diese Unterschiede
führen auch zu verschiedenen Konzepten
und Prioritäten im Empfangspfad.
Da die meisten Funkamateure
eigene Erfahrungen hauptsächlich im
HF-Bereich haben, werden im Folgenden
einige wichtige Unterschiede aufgezeigt.
Damit ein Signal vom Empfänger zuverlässig
gelesen werden kann, muss
ein ausreichender Signal-Rauschabtand
erreicht werden. Das Rauschen
ist darum eine wesentliche Grösse in
einer Link-Analyse. Die Theorie rund
um das Thema Rauschen ist sehr umfangreich.
Wer sich in diese interessante
Thematik einarbeiten möchte,
findet in [1] und [2] einen guten Einstieg.
Rauschen wird von der Antenne
aus der Umgebung aufgenommen.
Zusätzliches Rauschen entsteht aber
auch im Feed-System der Antenne
und im Empfänger. Abb. 1 zeigt die
Rauschpegel der wichtigsten externen
Rauschquellen im HF-Frequenzbereich.
Der Rauschpegel der Atmosphäre ist
von vielen Faktoren abhängig, wie
beispielsweise Tages- und Jahreszeit
sowie von der Sonnenaktivität. Die
Kurven A und B zeigen die Bandbreite
der atmosphärischen Rauschpegel
auf. Auch die Störpegel, verursacht
von Maschinen und elektronischen
Geräten, werden als eine Art Rauschen
wahrgenommen und sind in
städtischen Gebieten deutlich höher,
als in ländlichen Gegenden (Kurven C
und E). Oberhalb von 2.5 MHz macht
sich noch das galaktische Rauschen
(Kurve D) bemerkbar. Viele HF-Antennen
haben ein hemisphärisches
Strahldiagramm mit geringer Richtwirkung.
In Abb. 2 ist die Analogie
eines hemisphärischen Dipol-Strahldiagramms
(Dipol 0.1 λ über realem
Grund) mit einer Fischaugaufnahme
dargestellt. Die Antenne nimmt gewollte
und ungewollte Signale aus allen
Richtungen auf. Die Rauschpegel
in Abb. 1 gelten für omnidirektionale
Antennen. Das zusätzliche Rauschen,
dass im Empfänger erzeugt wird, ist
im Vergleich zum extern aufgenommenen
Rauschen im HF-Frequenzbereich
vernachlässigbar klein. Es bringt
darum kaum eine Verbesserung des
Signal-Rauschabstands, wenn versucht
wird das letzte 1/10 dB Verluste
z.B im Koaxialkabel zu optimieren.
Die Kabeldämpfung verkleinert das
aufgenommene Störsignal ebenso,
F a versus Frequency (0.01 to 100MHz)
wie das Nutzsignal. Das resultierende
Zusatzrauschen, verursacht von den
ohmschen Verlusten, ist in Bezug zum
externen Rauschen unbedeutend.
Oberhalb von 100 MHz ändern sich
die Verhältnisse zusehends. Auf der
einen Seite sinken die Rauschpegel
deutlich. Auf der anderen Seite treten
für Mikrowellensignale Verluste
in der Atmosphäre auf, die ein thermisches
Rauschen verursachen. Im
Mikrowellen- und Millimeterbereich
ist es einfach Richtantenne (Pencil-
Beam Antennen) zu realisieren. Es
gibt einige natürliche Rauschquellen,
die aus einer definierten und
bekannten Raum-Richtung stammen,
wie beispielsweise das Rauschen der
Sonne (Kurve H) oder das Rauschen
vom Supernova-Überrest Cassiopeia
A. Ist eine Pencil-Beam Antenne nicht
auf den entsprechenden Raumwinkel
ausgerichtet, sind die Rauschbeträge
dieser Quellen wegen der Richtcharakteristik
der Antenne meistens sehr
klein und unbedeutend.
Wolken, Regen und Bodenemissionen
beeinflussen eine SHF-Übertragungsstrecke
auch (Abb. 3). Wolken
und Regen können sogar zu einem
Unterbruch einer Verbindung führen.
Wetterabhängige Beiträge müssen
mit Hilfe statistischer Daten berück-
160
140
120
A
A: atmospheric noise, value exceed 0.5% of time
B: atmospheric noise, value exceed 99.5% of time
C: man-made noise, quiet receiving site
D: galactic noise
E: median city area man-made noise
100
F a [dB]
80
60
C
40
20
B
E
D
0
0.1 1 10 100
Frequency [MHz]
Abb. 1: Frequenzabhängige Rauschpegel im HF-Bereich
HBradio 6/2012 29