Passive, aktive und intelligente Antennen

Die einfachsten Antennen sind passiv, das heißt, sie besitzen keinen Verstärker. Es gibt Spiralantennen für Helixantennen und Keramikplatten für Patchantennen. Um den Verlust schwacher Signale in langen Kabeln zu vermeiden, werden sie nahe am Empfänger platziert, beispielsweise in Mobiltelefonen und Trackern. Die gesamte Verstärkung erfolgt in der Hochfrequenzkaskade (HF-Kaskade) des Empfängers. Dies ist eine kostengünstige und unkomplizierte Lösung, die jedoch unter Umständen nicht die beste Qualität liefert.

Das Problem besteht darin, dass der Empfänger ein Mikrochip ist, wodurch sich nicht alle Funktionen darin realisieren lassen. Beispielsweise ist es schwierig, einen Frequenzfilter zu erstellen, der sehr nützlich ist, um die Verstärkung von Störungen auf benachbarten Frequenzen zu verhindern. GNSS-Signale sind bereits 100-mal schwächer als natürliches Rauschen pro Hz des Spektrums. Treten Störungen auf, etwa durch die dritte Harmonische von Fernsehsendungen oder Satellitenkommunikation, kann dies zu Problemen führen.

Deshalb werden Filter eingesetzt. Ein klassisches Beispiel ist der Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter) , ein entfernter Verwandter der Ultraschall-Verzögerungsleitungen aus Röhrenfernsehern und Quarzgeneratoren. Ein SAW-Filter lässt sich jedoch nicht in einen Mikrochip integrieren. Er kann nicht aus Silizium hergestellt werden und verursacht naturgemäß Verluste, wodurch Nutzsignale abgeschwächt werden.

SAW-Filter werden also zusammen mit Verstärkern eingesetzt, und Antennen mit integrierten Verstärkern werden als aktive Antennen bezeichnet. Typischerweise ist die Konfiguration Antenne → Verstärker → Filter → Verstärker, es gibt aber auch andere Varianten.

Der Vorteil aktiver Antennen liegt in ihrem stärkeren Signal, das sich auch über lange Kabel übertragen lässt. Manche Antennen erreichen eine Verstärkung von bis zu 40 dB, was einer 10.000-fachen Verstärkung entspricht und somit den Einsatz von 100 Meter langen Koaxialkabeln ermöglicht. Der Nachteil besteht darin, dass die Antenne Strom benötigt, der über dasselbe Koaxialkabel zugeführt wird. Es ist jedoch falsch anzunehmen, dass eine Antenne mit höherer Verstärkung grundsätzlich besser ist als eine mit geringerer. Entscheidend ist nicht der Signalpegel, sondern das Signal-Rausch-Verhältnis. Je stärker ein Verstärker das Signal verstärkt, desto mehr Rauschen wird ihm hinzugefügt. Daher ist die durch den Verstärker erzeugte Rauschmenge wichtiger als der Verstärkungsfaktor, insbesondere bei Kabellängen unter mehreren hundert Metern.

Stromversorgung ... Die Stromversorgung über ein langes Kabel kann problematisch sein. Das Kabel hat einen Widerstand, und ein Teil der Spannung geht im Kabel verloren. Es ist nicht immer klar, welcher Anteil der Spannung verloren geht. Daher ist es ratsam, einen Spannungsregler in der Antenne zu verwenden, und die Versorgungsspannung sollte etwa 3–5 Volt betragen.

Das Netzteil bietet einen weiteren Vorteil: Durch die Überprüfung des zur Antenne fließenden Stroms kann der Empfänger feststellen, ob ein Kurzschluss in den Kabeln vorliegt oder die Antenne angeschlossen ist. Hierfür verfügt der Empfänger über bestimmte Grenzwerte für zu geringen (nicht angeschlossenen) und zu hohen Strom (Kurzschluss). Der Versorgungsstrom der Antenne muss innerhalb dieser Grenzen liegen, da das automatische System sonst nicht korrekt funktioniert.

Die nächste Frage ist: Warum brauchen wir ein teures Koaxialkabel? Warum nicht Empfänger und Antenne in einem großen Gehäuse unterbringen und das digitale Signal vom Empfänger über ein günstiges verdrilltes Adernpaar ableiten?
So entstanden die SMART-Antennen , die im Wesentlichen eher Empfänger als Antennen sind. Wie bereits erwähnt, werden SMART-Antennen überall eingesetzt, außer in Zeitmessanwendungen.

„Zu meiner Schande muss ich gestehen, dass wir bei unserer ersten SMART-Antenne den Empfänger nicht ausreichend von der Antenne isoliert haben. Der Lokaloszillator im Empfänger sendet Strahlung aus, und der digitale Teil erzeugt Rauschen auf denselben Frequenzen. Dadurch wurden Störungen vom Empfänger direkt in den HF-Verstärker der Antenne eingekoppelt, dort verstärkt und zum Empfänger zurückgesendet. Zwar verursachte dies keine direkten Störungen, aber der Verstärker des Empfängers arbeitete in einem nicht dafür vorgesehenen Modus und überhitzte. Das führte dazu, dass die Empfänger nach wenigen Monaten ausfielen.“

Der springende Punkt ist: Wenn Sie Antenne und Empfänger im selben Gehäuse unterbringen, trennen Sie deren Masseflächen. Und auf der Seite, auf der sich die Antenne befindet, dürfen keine Hochfrequenz- oder Digitalschaltungen auf der Platine montiert werden.

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