Antennen in 2,4-Gigahertz-Systemen

Ungeachtet der bereits vorhandenen Verbreitung von 2,4-Gigahertz-Sende- und -Empfangs-Technik, ist ­deren Funktionsweise für viele Piloten immer noch etwas Neues. Zahlreiche Modellflieger setzen die ­moderne ­RC-Technik wie selbstverständlich ein. Etwas Grundlagenwissen zum besseren Verständnis der technischen ­Abläufe und Besonderheiten trägt jedoch zu mehr Sicherheit auf den Modellflugplätzen bei. In diesem Artikl werden einige wesentliche Aspekte in puncto Antennen-Technik zusammengefasst. Im Fokus steht die rein sachliche Erläuterung, unabhängig von auf dem Modellbaumarkt erhältlichen Produkten.

Alle Systeme in 2,4 Gigahertz (GHz) arbeiten, soweit vom Kunden zunächst nachvollziehbar, ähnlich gut. Große funktionale oder sicherheitstechnische Unterschiede sind zumindest für Laien nicht erkennbar. Hohe Reichweiten zu erzielen, scheint bei allen Systemen mit 100 Milliwatt (mW) Strahlungsleistung kein Problem zu sein. Es gibt nur wenige äußere, sichtbare Unterschiede. Wie eben die Sendeantennen und deren Anordnung, zum Teil auch die Empfängerantennen. Um diese Unterschiede geht es in diesem Artikel.

Die Frage lautet also: Ergeben sich durch die verschiedenen Antennenformen Unterschiede und wenn ja, welche? Hier hilft zunächst nur ein kleiner Ausflug in die Physik. Wobei hier der Versuch unternommen wird, alles so darzustellen, dass auch Leser, die sich nicht mit theoretischem Wissen belasten wollen, die Darstellungen und Erläuterungen verstehen können. Deshalb kann vielleicht nicht jede Darstellung wissenschaftlichen Ansprüchen genügen. An dieser Stelle werden nur Antennen beschrieben, ohne andere, ebenso wichtige Faktoren für den Betrieb eines 2,4-GHz-Fernsteuersystems zu bewerten, wie beispielsweise die Gesamt-System-Konzeption.

Grundsätzliches
Antennen dienen dazu, elektromagnetische Wellen (Energie) mit Informationsinhalten abzustrahlen, die bei einem gedachten Ziel durch Empfangsantennen wieder aufgefangen und ausgewertet werden. Je mehr Energie an der Empfangsantenne ankommt, desto besser und sicherer sind die Auswertemöglichkeiten für die Informations-Inhalte. In der weiteren Beschreibung wird hier vor allem von der Energie-Übertragung die Rede sein. Je größer die übertragene Energie ist, auch Feldstärke genannt, desto störsicherer ist die Funkverbindung.

Alle Antennen, egal ob Sende- oder Empfangsantennen, haben eine (oder keine) Richtwirkung, aber immer eine Polarisation. Die Richtwirkung und die Polarisation kann für bestimme Zwecke optimiert werden. Antennen mit Richtwirkungen konzentrieren die abgestrahlte Energie in eine bestimmte Richtung, Antennen mit Rundum-Abstrahlung (keine Richtwirkungen) verteilen die Energie rund um die Antennen. Richtwirkungen (oder eben keine Richtwirkungen) haben sowohl Sende- als auch Empfangsantennen.

Für eine Funkverbindung zwischen zwei feststehenden, bekannten Punkten ist logischerweise eine Richtwirkung in eine bestimmte Richtung erwünscht, andere Richtungen sind uninteressant. Bei einem Rundfunksender sind die potenziellen Empfänger im Kreis um die Antenne anzutreffen, hier ist daher eine Rundum-Abstrahlung erwünscht. Aber, neben der Sendeantenne gibt es immer auch eine Empfangsantenne, die, genau wie Sendeantennen, unterschiedliche Richtwirkungen und Polarisationen haben können. Auch hier kann je nach Einsatzgebiet optimiert werden.

Antennen-Polarisation
Die Polarisation einer Funkwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Bei Funkantennen bestimmt deren Geometrie, mit welcher Polarisation Wellen ausgesendet oder bevorzugt empfangen, das heißt absorbiert werden. Alle Angaben gelten hier für Sender- und Empfängerantennen.

Es lassen sich drei Hauptformen der Polarisation ableiten:
– Die vertikale Polarisation mit senkrecht zur Erdoberfläche verlaufendem elektrischem Feld. Der Antennenstab liegt waagerecht; vergleiche Abbildung 1.
– Die horizontale Polarisation mit parallel zur Erdoberfläche verlaufendem elektrischem Feld. Der Antennenstab steht senkrecht; vergleiche Abbildung 2.
– Die zirkulare Polarisation mit rotierendem, elektrischem Feld. Es gibt keinen Antennenstab; vergleiche Abbildung 3.

Man sieht also schon: Wird der Antennenstab von senkrecht nach waagerecht geschwenkt, ändert sich auch die Polarisation des elektrischen Felds. Deshalb, weil wir sowohl den Sender häufig bewegen und auch das Modell sich dreht, und damit dessen Antennen, ist es in unserer Anwendung irrelevant zwischen horizontaler und vertikaler Polarisation zu unterscheiden. Wichtig ist nur, dass ein System negative Polarisationseffekte, also Felder mit geringer Abstrahlung beziehungsweise mit geringem Empfang, unterdrückt und die positiven Effekte optimal nutzt. Es gilt der Grundsatz: Beide Antennen, Sende- und Empfangsantenne, sollten immer gleich ausgerichtet sein.

Bei der zirkularen Polarisation wird das elektrische Feld ständig um einen gedachten Antennenstab gedreht; vergleiche Abbildung 3. Hier wird versucht, negative Polarisations-Effekte zu vermeiden. Aber auch das geht nicht ohne Nachteile. Es entsteht ein Verlust von 3 bis 5 Dezibel (dB), also zirka die Hälfte der maximal möglichen Energie von Stabantennen kann abgestrahlt werden. Außerdem ergibt das nur dann wirklich Sinn, wenn auch die Empfänger mit der gleichen Antennentechnik arbeiten.

Bauformen
Bei der polarisierten Sendeantenne, wie in Abbildung 4 und 5 gezeigt, ist der Antennenstab als Antennen-Dipol ausgeführt. Der hohle Messingkörper ist dabei der Minuspol, die Kabelseele der Pluspol der Antenne. Die Kabelseele ist meist so lange wie ein Viertel der Wellenlänge ­(Lambda ¼); bei 2,4 GHz sind das etwa 30 Millimeter (mm). Der Antennengewinn bei dieser Bauform beträgt 2 dBi; steht für dB (isotrop)­. Dipol-Antennen haben grundsätzlich den besten Wirkungsgrad. Diese Antenne wird bei den meisten Systemen verwendet. Ein paar Beispiele für Stabantennen zeigt Abbildung 6.

Eine Alternative zur Stabantenne ist die zirkular polarisierte Planar-Sendeantenne; vergleiche Abbildung 7.
Hier gibt es keinen Antennenstab. Die Rotation des elektrischen Felds wird von der Elektronik und durch Ablenkungen in der Antennenstruktur erzeugt. Verluste von zirka 3 bis 5 dB gegenüber einer polarisierten Stabantenne sind normal. Der Vorteil liegt in der flachen Bauform. Diese Antennenformen haben immer auch eine Richtwirkung, auch wenn hier von einer Rundum-Abstrahlung gesprochen wird.

Empfängerantennen können nicht so aufwändig gestaltet werden wie Sendeantennen, denn sie müssen in der Praxis anwendbar bleiben. Trotzdem gilt: Antennen-Verluste auf der Empfängerseite können technisch nie kompensiert­ werden; vergleiche Abbildungen 8 bis 10. Auch hier ist die Forderung der maximalen Effizienz zu erfüllen. Bei vereinfachten Dipol-Antennen wird der Minuspol einfach weggelassen. Die jeweiligen Systeme kommen offensichtlich auch mit der etwas geringeren Signalausbeute klar. Als Faustformel gilt: Je dünner das Antennenkabel, desto höher die Kabeldämpfung. Die Anwendung muss natürlich im Modell praktikabel sein. Daraus ergibt sich auch, dass bei den verwendeten, relativ dünnen Antennenkabeln deren Verlängerung Grenzen gesetzt sind, speziell bei den ganz dünnen Antennenkabeln. Die Wirkung reduziert sich, man spricht von Kabeldämpfung, je länger die Zuleitung zu der 30 mm langen Antenne ist. Bei den bekannten, dünnen Kabeln ­vieler Systeme sollten 200 mm nicht überschritten werden, bei dickeren Kabeln können 600 mm noch gut angewendet werden. Sind die Zuleitungen länger, kommt einfach weniger Energie am Empfänger an. Das Ganze ist natürlich auch noch abhängig von der Gesamtkonzeption des Empfängers.

Verhaltenskodex
Das Abstrahlverhalten von Sendeantennen ist bei 2,4 GHz besonders wichtig. Je nach Bauform haben Antennen einen so genannten Antennen-Gewinn. Hier gilt: Je höher der Gewinn, desto stärker die Richtwirkungen. Antennen mit Gewinn strahlen ihr Maximum mit 90 Grad zur Stabrichtung ab, in Stabrichtung liegt dann das Minimum.

Antennen mit Rundumstrahl-Charakteristik – als omni direktional bezeichnet – ohne jeglichen Gewinn (null dBi) mit 100 mW Strahlungsleistung sind an dieser Stelle der Ausgangspunkt; siehe obere Kugel, in Abbildung 11. Solche Antennen sind nur theoretisch zu bauen und in der Praxis nicht anzutreffen. Der Rauminhalt, sprich die Energiemenge dieser Kugel bleibt in den folgenden Darstellungen immer gleich, lediglich deren Inhalt wird entweder rundum gequetscht (Apfel) oder sogar in eine bestimmte Richtung gequetscht (Richtantenne). Ähnlich wie bei einem verschlossenem Luftballon, der mit einem Liter Wasser gefüllt ist, bleibt es egal wie man ihn formt, der Rauminhalt ändert sich nicht; siehe Abbildung 11.

2-dBi-Antennen: Charakteristik „Apfelantenne“. In Stabrichtung gibt es keine Abstrahlung. Die beste Abstrahlung liegt bei 90 Grad zur Stabrichtung. Diese Antenne ist für den Modellflug optimal, denn außer in Stabrichtung wird immer Energie abgestrahlt, die Antennen-Ausrichtung ist nicht ganz so wichtig, der Pilot kann sich frei bewegen. Daher immer die Sender-Antenne am Gelenk seitlich wegknicken und nicht gerade hoch stehen lassen.

9-dBi-Antennen: Gleiche Grundeigenschaften wie die Apfelantenne. Die gleiche Energie wird flacher verteilt, das ergibt größere Entfernungen, aber einen geringeren Öffnungswinkel nach oben und unten. Für den Modellflug nicht gut geeignet.

Richtantenne: Die Energie wird in eine definierte Richtung abgestrahlt. Diese Antennen eignet sich nur für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen von feststehenden Funkzielen. Also nichts für den Modellflug.

Egal wie hoch der Antennengewinn ist, die maximal erlaubte Abstrahlung bei 2,4 GHz beträgt 100 mW. Zur Einhaltung der Normen wird also nicht die Sendeleistung selber gemessen, sondern die Strahlungsleistung. Eine Antenne mit Gewinn darf die erlaubte Strahlungsleistung nicht erhöhen. Das Antennensystem, bestehend aus Endstufe und Antenne, muss diese Grenzwerte einhalten. Wird mit Antennen mit Gewinn gearbeitet, dann muss die Sendeleistung reduziert werden, damit wieder mit der erlaubten Strahlungsleistung abgestrahlt wird.

Teamspieler
Die Aufgabe lautet also, soviel Energie – Stichwort Feldstärke – wie möglich vom Sender zum Empfänger zu übertragen. Befinden sich Sende- und Empfangsantenne in derselben Lage, also parallel zueinander, dann wird die meiste Energie übertragen. Befinden sich Sende- und Empfangsantenne im 90-Grad-Winkel zueinander, wird keine Energie übertragen.

Bei Ein-Antennen-Systemen befinden sich Sende- und Empfangsantenne 90 Grad versetzt, im schlechtesten Fall wird praktisch keine Energie übertragen. Das Maximal-Ergebnis sind 100 Prozent (%), das Minimal-Ergebnis null %; siehe Abbildung 12a. Bei Diversity-Empfängerantennen gilt: In der schlechtesten Lage empfangen beide Antennen 50 % vom Signal, solange die Empfängerantennen 90 Grad zueinander stehen. Dabei spielt es im Grunde keine Rolle, in welche Richtung die 90-Grad-Verlegung erfolgt, denn das Modell dreht sich ständig. Das Maximal- und Minimal-Ergebnis sind 100 %, bezogen auf eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne in optimaler Stellung zueinander; siehe Abbildung 12b.

Bei Zwei-Sendeantennensystemen und einen Empfänger mit einer Antenne empfängt die Empfänger-Antenne 50 % von jeder Sendeantenne, solange diese 90 Grad zueinander stehen. Das Maximal- und Minimal-Ergebnis sind 100 %, bezogen auf eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne in optimaler Stellung zueinander; siehe Abbildung 12c. Bei Zwei-Sendeantennen und einen Empfänger mit Diversity-Antennen empfangen beide Empfänger-Antennen jeweils 100 % des Signals in jeder Lage, auch wenn nur jeweils 50 % von einer Sendeantenne ankommen. Das Maximal- und Minimal-Ergebnis liegt bei 200 %, – bezogen auf eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne in optimaler Stellung zueinander; siehe Abbildung 12d. Bei Zwei-Sendeantennen mit zwei mal zwei Diversity-Antennen (zwei Diversity-Empfänger gekoppelt) empfangen alle Empfänger-Antennen jeweils 100 % des Signals in jeder Lage, auch wenn nur jeweils 50 % von einer Sendeantenne ankommen. Hier liegt das Maximal- und Minimal-Ergebnis bei 400 %, bezogen auf eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne in optimaler Stellung zueinander; siehe Abbildung 12e.

Man sieht, mit etwas „System“ sind mit Stabantennen negative Antennen-Effekte nicht nur kompensierbar, ­sondern sogar völlig auszuschließen und ein erheblicher Mehrgewinn gegenüber Ein-Antennen-Systemen zu ­erzielen. Wichtig für ein System ist, dass beide Antennen immer dieselbe Bauform haben. Ein Mix unterschiedlicher Bauformen, zum Beispiel zirkular arbeitende Sendeantennen und polarisierte Empfängerantennen, kostet immer Energie und die ist, zumindest auf der Empfängerseite, begrenzt. Außerdem können Zuleitungs-Verluste durch technische Bauformen, Kabel und anderes mehr, auf der Sendeseite durch die Elektronik/Endstufe kompensiert werden, aber auf der Empfängerseite sind Antennenverluste nie kompensierbar. Das ist der Grund, warum vor allem auf der Empfängerseite große Anstrengungen unternommen werden müssen, den Empfang zu optimieren.