Antennen für den Satellitenfunk       

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Inhaltsverzeichnis

Planarantennen

Antennenbroschüre DC9ZP

Signaldämpfung und Antennen

1. Planarantennen

In den letzten Jahren sind einige Antennen für den Amateurfunkbereich auf den Markt gelangt, die der Erwähnung bedürfen. Es handelt sich dabei um Flachantennen (Planarantennen), wie sie aus der TV-Technik bekannt sind. Eine Planarantenne besteht im Prinzip aus gestockten Dipolgruppen oder gestockten Hybrid-Quads, die zum Teil in klassischer Form oder in gedruckter Schaltung gefertigt sind. Planarantennen erreichen Flächenwirkungsgrade[1], die mit denen einer Parabolantenne vergleichbar sind. Allen Antennen ist gemeinsam, dass sie durch eine Abdeckung aus ABS-Kunstsoff gegen Witterungseinflüsse geschützt sind.

Diese Antennen stammen zwar aus der von uns ungeliebten und als bedrohlich empfundenen ISM/WLAN-Technik, können aber andererseits durch eine entsprechende Produktion zu erschwinglichen Preisen angeboten werden. Sie eröffnen damit die Möglichkeit, die Aktivität von Funkamateuren auf den Mikrowellenbändern zu erhöhen und damit einen Beitrag zur Erhaltung der Bänder und zur Abwehr von Eindringlingen zu leisten.

Wie so oft, hat auch hier der technische Fortschritt zwei Seiten.

Lieferbar sind diese Antennen im Amateurfunksektor für 70cm, 23cm und 13cm in verschiedenen Ausführungen[2] und mit unterschiedlichem Gewinn.

Sie sind relativ unauffällig, sehen nicht nach Antenne aus.  Sie können entweder horizontal oder vertikal montiert - und damit auch zirkular über eine Lambda/4 Phasenleitung zusammengeschaltet werden.

Es ist also zu untersuchen und zu bewerten, ob diese Antennen im Satellitenfunk erfolgversprechend eingesetzt werden können.

2. Eine 13 cm Planarantenne für P3-E Uplink

Für AO-40/P3-E interessant ist die abgebildete 13 cm Antenne (Bild 1) mit den folgenden Daten:

Mein Test über AO-40 ergab, dass die Antenne in der Leistung unter der eines 60 cm Parabolspiegels mit zirkularem Feeder liegt. Das ist aber nicht weiter zu beanstanden, da die Antenne linear polarisiert ist und damit a priori ein Minus von 3 dB entstehen muss. Insgesamt wird der in den Daten angegebene Gewinn von 20 dBi erreicht. Genaue Vergleichsmessungen mit einer geeichten Referenzantenne konnte ich allerdings nicht anstellen, ich musste mich auf die Lautstärkemessung der Bake von AO-40 auf 2401.323 MHz +- Dopplershift verlassen.

Die Antenne eignet sich damit für den Empfang eines S2-Transponders, wird aber mit der linearen Polarisation keine Wunder vollbringen. Wer diese Antenne auf Reisen mitnimmt und portable einsetzt, kann aber unzweifelhaft erfolgreich QSO-Betrieb über AO-40/P3-E abwickeln. Sie kann vertikal oder horizontal montiert werden, wobei die Konstrukteure es so eingerichtet haben, dass man die Beschriftung um 90 Grad verdrehen muss. Also Schrift waagerecht ergibt vertikale Polarisation. Anders herum wäre es besser, aber das wäre wohl zu einfach gewesen.

Als Stationsantenne für den Regelbetrieb eignet sie sich nur dann, wenn man das Manko der linearen Polarisation durch eine zweite Antenne kompensiert, die mit der ersten zirkular zusammengeschaltet wird. Ein Beispiel dazu wird nachstehend erläutert ( Bild 2). Allerdings ist der Kostenfaktor von zwei Antennen (a 150 Euro) dann so hoch, dass man sich fragen muss ob ein Offsetspiegel vom Media-Markt (für 50 Euro) nicht doch die bessere Lösung ist.

Immerhin, es gibt aber QTH’s, da kann man keine Parabolspiegel montieren, sei es aus rechtlichen Gründen, weil der Antennenmast voll - oder weil ein Parabolspiegel zu auffällig ist. Für diese Fälle ist die Antenne eine mögliche Lösung.

Im Dezember 2002 gesellte sich zu der beschriebenen Antenne PA-13 R20 noch ein zweites, preiswerteres Modell für 13cm mit 17 dBi Gewinn unter der Modellbezeichnung PA-13-R17 in identischer Bauart aber mit wesentlich kleineren Abmessungen (23x23 cm). Nach den bisherigen Erfahrungen und unter Abzug der 3 dB Zirkularverluste reicht der Gewinn dieser Antenne nicht aus, um erfolgreich über AO-40/P3-E QSO fahren zu können, hier wäre aber ein Stocken von 4 Antennen möglich und man käme mit einer solchen Anordnung auf ca. 22.4 dBi.

Für 70 cm (Uplink U) und für 23 cm (Uplink L) werden ebenfalls bei [2] Planarantennen angeboten.

Für den 13 cm S2-Transponder ist mit der vorgestellten Planarantenne PA-13 R20 eine für AO-40/P3-E nutzbare Lösung auf dem Markt. Für den Uplinkbereich gibt es zur Zeit nur eine Antenne für 23cm, die annähernd die erforderliche Leistung bringt.

Alle Antennen haben einen grundsätzlichen Mangel: die Polarisation ist linear.

[1] W., Ilsanker A., "Antennen für den Satellitenempfang", München 1993

[2] Vertrieb durch Fa. WIMO-Antennentechnik (http://www.wimo.de).

[3] Manfred Maday, DC9ZP, " Funkbetrieb über Satelliten, Tipps, Berechnungen und Software für den Satellitennutzer" , 6. Auflage 2003, Hrsg: AMSAT-DL Warenvertrieb, (www.amsat-dl.org.de)

Die Uplinkstrecke zum Satelliten und die Downlinkstrecke zur Bodenstation ist für ein Signal ein Weg mit Hindernissen, der nicht ohne Substanzverlust zurückgelegt werden kann. Meist ist den Satellitenfreunden nur die "Freiraumdämpfung" bekannt, es gibt aber noch andere Verlustbringer. Der Artikel beschreibt die wichtigsten dämpfenden Einflüsse, wartet mit praxisgerechten Formeln zur überschlägigen Berechnung am Beispiel des S2-Transponders von AO-40/P3-E auf und gibt Tipps zur Auslegung der Antennen einer Bodenstation.

1. Freiraumdämpfung

Als Freiraumdämpfung bezeichnet man - nicht ganz unumstritten - die Dämpfung eines Signals aufgrund der Entfernung zwischen Sender und Empfänger.

Der Begriff Freiraumdämpfung ist semantisch nicht korrekt, weil es eine Signaldämpfung im Weltraum nicht gibt. Die Verringerung der Signalstärke zwischen Sender und Empfänger liegt darin begründet, dass sich eine bestimmte Leistung von der Sendeantenne her ausbreitet und somit die ursprünglich vorhandene Sendeenergie auf eine ständig größer werdende Fläche verteilt wird. Da sich der Begriff aber eingebürgert hat, bleiben wir hier dabei. Für die Berechnung der Freiraumdämpfung ergibt sich :

Formel 1:

Wobei S die Entfernung Bodenstation - Satellit, die sogenannte Slant-Range und f die Frequenz sind. Die Frequenz ist in MHz und S in km einzusetzen. Das Ergebnis liegt in dB vor. Die Freiraumdämpfungen für die gängigsten Frequenzen von AO-40/P3-E kann man ohne Rechenkunststücke Tabelle 1 entnehmen.

Tabelle 1:Freiraumdämpfung

2. Atmosphärische Dämpfung

Die elektromagnetischen Wellen werden beim Durchdringen von Luft- und Wasserdampfschichten abgeschwächt. Atmosphärische Dämpfungsverluste setzen sich zusammen aus einer atmosphärischen Grunddämpfung und einer stark wetterabhängigen Dämpfung durch Nebel, Regen oder Schnee.

An der immer wirksamen Grunddämpfung sind hauptsächlich Wasserdampf- und Sauerstoffmoleküle[1] beteiligt. Ein Teil der elektromagnetischen Energie wandelt sich dabei in Wärme um, ein anderer Teil wird aufgrund der "Strahlerfunktion" der Moleküle zerstreut.

Tabelle 2 molekulare Dämpfung

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, beträgt diese Dämpfung ca. 0.01 dB/km für eine Frequenz von 2.4 GHz und steigt für Frequenzen ab 10 GHz auf das Doppelte an, der Maximalwert liegt bei ca. 22 GHz, da hier der Resonanzfall mit den Molekülen eintritt. Da Sauerstoff nur bis in eine bestimmte Höhe (100 km) in nennenswertem Umfang existiert und das Auftreten von Wassermolekülen erheblich unter der maximalen Sauerstoffhöhe bleibt, kann man eine mittlere Höhe von 50 km für diese Art der Dämpfung als Rechengrundlage ansetzen.

Bei einer Elevation von 90 Grad hat das Signal demnach eine dämpfende Schicht von 50 km zu durchstoßen, das entspricht einer Mindestdämpfung von 0.5 dB. Bei flacheren Elevationen wird dies zunehmend mehr, bis in Horizontnähe ca. 8 dB ( bei 2,4 GHz) erreicht werden. Das führt zu einer überschlägigen Berechnung mit

Formel 2 :

Die Formel gilt nur für Frequenzen zwischen 1 GHz und 5 GHz, für 10 GHz verdoppelt man den Zähler auf 1,0. Das Ergebnis liegt in dB vor. Den gefundenen Wert von A_z schlägt man in Bilanzen einfach der eingangs berechneten Freiraumdämpfung zu.

Bei schlechtem Wetter wird das Signal in Abhängigkeit von der Frequenz und der Ausdehnung der Regenfront (in km) zusätzlich um einen bestimmten Betrag gedämpft, der mit der nachfolgenden Tabelle abgeschätzt werden kann.

Tabelle 3 Dämpfung in dB/km bei Regenwetter

Die genaue Berechnung ist in der Regel nicht möglich, da man die Ausdehnung der Regenfront nicht kennt. Wichtig ist daher nur im Hinterkopf zu behalten, dass bei schlechtem Wetter die Signale beeinträchtigt werden und dass die Dämpfung bei flachen Elevationen ansteigt, weil der Weg durch die Regenfront länger wird. Bei flachen Elevationen und großflächig schlechtem Wetter in Mitteleuropa, wie es bei großen Tiefdruckgebieten oft vorkommt, ist die Dämpfung erheblich. 

Dazu kommt noch als Sekundäreffekt, dass Regen mit 280 Kelvin und 8/8 bewölkter Himmel mit ca. 260 Kelvin rauscht. Eine in den Himmel gerichtete Antenne nimmt also bei schlechtem Wetter immer Rauschen auf und das Signal-/Rauschverhältnis (SNR) wird zusätzlich beeinträchtigt. Die Zunahme der atmosphärischen Dämpfung durch Regen bedeutet also gleichzeitig auch eine Zunahme des Antennenrauschens[2], so dass die Downlinkstrecke stets doppelt betroffen ist.

3. Polarisationsdämpfung

Die Polarisationsdämpfung (A_pol) entsteht durch Polarisationsänderungen auf der Übertragungsstrecke. Sie spielt bei zirkularen Antennen dann eine Rolle, wenn der sich drehende Feldstärkevektor des elektromagnetischen Feldes aus der Sicht der Empfangsstation die rein zirkulare Form verlässt und über rechtselliptische Zwischenformen schließlich eine sehr schlanke, quasi lineare Ellipse schreibt. Bei AO-40 wurde dieser Effekt berechenbar durch den Squint-Winkel verursacht[3]. Wird die Polarisation linear, dann verursacht A_Pol in der Regel durch diesen Effekt eine Dämpfung von maximal 3 dB. Zwischenstufen haben geringere Dämpfungen.

Der Fall, dass die Polarisation von rechtszirkular auf linkszirkular dreht und damit eine Polarisationsdämpfung von mindestens 20 dB entsteht, ist unwahrscheinlich und im übrigen nicht vorhersehbar.

Deshalb gibt es nur eine Formel zur überschlägigen Berechnung von A_pol durch den Squint, bei AO-40/P3-E nutzbar für die Downlinkstrecke des S2-Transponders.

Formel 3 : , das Ergebnis liegt wieder in dB vor.

Auch die Uplinkstrecke zum Satelliten ist betroffen, denn die zirkulare Antenne der Bodenstation wird vom Satelliten aus unter dem Squint-Winkel und dadurch mit verschobener Polarisation betrachtet. Die Strahlungsleistung der Station wird also ebenfalls um A_pol gedämpft.

4. Ausrichtdämpfung

Wenn eine Antenne nicht richtig auf den Satelliten ausgerichtet ist, gibt es eine Signaldämpfung (A_Ri), deren Betrag abhängig vom Zielfehler ist. Das gilt auch für den umgekehrten Fall, nämlich, wenn die Satellitenantenne nicht direkt auf die Empfangsstation zeigt. Das trifft bei AO-40/P3-E immer dann zu, wenn der Squint-Winkel größer als 0 Grad ist. Der Dämpfungseffekt ist umso größer, je kleiner die Halbwertsbreite der jeweiligen Antenne ist.

Zur Berechnung kann man für einen S2-Transponder die nachfolgende Gleichung verwenden. Das Ergebnis liegt in dB vor.

Formel 4:

Als w _-3dB ist der Öffnungswinkel der S2-Sendeantenne (47 Grad) oder der K-Sendeantenne einzusetzen. Schielt die Antenne der Bodenstation, was allerdings vermeidbar ist, dann nimmt man die folgende Gleichung

Formel 5:

Dabei ist D W der Zielfehler in Grad, und w _-3dB, der Öffnungswinkel der Stationsantenne in Grad.

5. Fazit

Die Gesamtdämpfung im Beziehungsgeflecht Sender-Empfänger (A_ges) ergibt sich damit aus der Summe von

Formel 6:

Wie dargestellt, kann die Gesamtdämpfung für ein S2-Transpondersignal erheblich höhere Werte annehmen als die berechnete "Freiraumdämpfung" es signalisiert, dieser Tatsache muss man sich bei der Planung oder Optimierung der Satellitenstation bewusst sein.

Jedes dB an zusätzlicher Dämpfung reduziert das SNR des Downlinksignals um den gleichen Betrag oder zehrt für die Uplinkstrecke an der Strahlungsleistung, aber jedes dB an Antennengewinn kompensiert[4] den Verlust wieder. Bei der Auslegung der Antennenanlage sollte man daher eine "Schlechtwetterreserve" oder speziell für P3-E eine "Squintreserve" von ca. 3-6 dB einplanen. Für die Downlinkstrecke eines S2-Transponders sind daher ein größerer Spiegel als 60 cm und ein besonders rauscharmer Konverter kein Luxus.

Für die Uplinkstrecke (L und/oder U) ist eine regelbare Ausgangsleistung auf der TX-Seite und ein Strahlungsleistungszuschlag von 3-6 dB sinnvoll, damit man sich wechselnden "Dämpfungslagen" besser anpassen kann.

Auch hier gilt der alte Grundsatz: "Reserven schaden nur dem, der sie nicht hat".

[1] Mansfeld, W. (1998): Satellitenortung und Navigation: Grundlagen und Anwendung globaler Satellitennavigationssysteme. Vieweg Verlag, ISBN 3-528-06886-8

[2] Maday, Manfred, DC9ZP, "Rauschangriffe im Satellitenfunk", in Funkamateur Heft 5/2003 S.498ff,

[3] Maday, Manfred, DC9ZP,"Amateurfunksatelliten, Übersicht, Berechnung und Software für den Funkamateur", Köln 2003 (E-Book als PDF-Datei).

[4]Maday, Manfred, DC9ZP,"Funkbetrieb über Satelliten" - Abschnitt Antennen", 6. Auflage Köln 2003 (AMSAT-DL Warenvertrieb)

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