Bei der Installation einer Antenne ist zu beachten, dass das Satellitensignal sehr schwach ist und von oben kommt. Beispielsweise führt der Versuch, die Antenne mit einer Plane vor Regen zu schützen, zu einem nahezu vollständigen Empfangsverlust.
Manchmal ist es sogar noch schlimmer. Einmal wurden wir zu einer Diagnose gerufen, weil ein „Satellitenkompass nicht funktionierte“. Es stellte sich heraus, dass die Crew keinen besseren Platz für die Antennen finden konnte als unter einer Metallplattform. Sobald die Antennen wieder in den Himmel gerichtet waren, funktionierte natürlich alles einwandfrei.
Kommen wir nun zum Thema Klima. Nur wenige betrachten Antennen als Verbrauchsmaterial. Die meisten wünschen sich eine Antenne, die mindestens 10 Jahre hält. Deshalb werden Antennen je nach Betriebsbedingungen in verschiedene Klassen eingeteilt.
Marineantennen.
Das ist extrem schwierig. Beispielsweise können bei einem Sturm mehrere Kubikmeter Salzwasser auf eine Antenne auf dem Dach des Steuerhauses geschüttet werden. In höheren Breitengraden trifft dort nicht nur Wasser, sondern auch ein Gemisch aus Schnee und Eis. Koaxialkabel für Schiffsantennen sind zwar daumendick, aber ich habe von Fällen gehört, in denen selbst solche Kabel durch eine Schnee-Eis-Mischung beschädigt wurden. Interessanterweise blieben die Antennen selbst unversehrt. Kein Wunder – Schiffsantennen sind für 20 Jahre Einsatz unter extremen Bedingungen ausgelegt.
Ein separates Thema sind Marineanschlüsse. Sie sind teuer, zuverlässig und wasserdicht. Die Schutzart einer Marineantenne ist IP68. Das bedeutet, dass die Antenne tatsächlich in einer Badewanne mit Wasser getestet wird, wobei geprüft wird, ob keine Luftblasen eindringen, und dass sie nach 24 Stunden unter Wasser weiterhin funktioniert. Die Marineantenne ist nicht hundertprozentig hermetisch; sie besitzt eine Öffnung zum Druckausgleich zwischen Innen und Außen, die jedoch mit einem Filter abgedeckt ist, um das Eindringen von Wasser zu verhindern.
Diese Antennen sind üblicherweise nur L1-Antennen und daher für die meisten Anwendungen ungeeignet. Die Montage erfolgt in der Regel auf einem Gewindebolzen mit Zolldurchmesser, manchmal auch auf einem geodätischen 5/8-Zoll-Bolzen. Wichtig ist hierbei: Wenn Ihnen eine Antenne in einem „Marine-Gehäuse“ verkauft wird, ist das Gehäuse zwar hochwertig, der Anschluss jedoch möglicherweise von minderer Qualität, nicht wasserdicht und nicht für den Einsatz mit Wasser geeignet. Prüfen Sie daher die Schutzart der gesamten Antenne, nicht nur die des Gehäuses.
Flugzeugantennen.
Hierbei handelt es sich um Antennen nach dem ARINC-734A-Standard. Sie sind sehr zuverlässig, ihr hoher Preis ist jedoch eher dem aufwendigen Zertifizierungsprozess nach Luftfahrtstandards als ihrer Zuverlässigkeit geschuldet. Für den Einsatz außerhalb von Flugzeugen sind sie ungeeignet, da ihre Montage und Anschlüsse sehr spezifisch sind. Eine solche Antenne wirkt wie ein aufgesetztes Teil an einem Flugzeug. Das Foto zeigt eine typische Flugzeugantenne für ein großes Passagierflugzeug. Ihre Eigenschaften sind unauffällig; sie unterstützen lediglich L1, GPS und gelegentlich GLONASS.
Geodätische Antennen.
Dies ist ein weiteres komplexes Antennenprojekt, allerdings in einem völlig anderen Sinne. Es gibt das Konzept des Phasenzentrums von Antennen, vereinfacht gesagt der Punkt, an dem das Signal empfangen wird. In der Dokumentation einer hochpräzisen geodätischen Antenne heißt es beispielsweise: „Das Phasenzentrum für die L1-Frequenz befindet sich 68 mm ± 0,2 mm vom unteren Antennenrand entfernt, mit einer horizontalen Abweichung von ± 0,1 mm. Die Größe des Phasenzentrums beträgt vertikal 1,3 mm ± 0,1 mm und horizontal 1,1 mm ± 0,2 mm.“ Ähnliches gilt für L2. In besonders komplexen Fällen werden die Messergebnisse für ein bestimmtes Antennenmuster zusammen mit Diagrammen bereitgestellt, die die Abhängigkeit der Phasenzentrumslage von der Satellitenhöhe über dem Horizont zeigen.
Warum ist das notwendig? Für anspruchsvolle geodätische Aufgaben wie die Überwachung von Gebirgsbewegungen, Kontinentaldrift oder die Vermessung eines erstklassigen geodätischen Netzes im Landesmaßstab. Dort zählt jeder Millimeter Fehler. Zudem werden sowohl der maximale als auch der durchschnittliche Fehler berechnet. Ein Großteil der geodätischen Antennen sind „intelligente“ Antennen. Das bedeutet, dass sich mindestens ein Empfänger im Antennengehäuse befindet, manchmal sogar eine Batterie und ein Funkmodem. Solche Antennen sind verständlicherweise recht teuer. Sie verfügen üblicherweise über eine 5/8-Zoll-Geodätenhalterung.
Zeitantennen.
Eine weitere interessante Klasse. Um hochpräzise Zeitsignale zu empfangen und zwei Ereignisse an verschiedenen Orten noch genauer zu synchronisieren, ist es notwendig, Signale ausschließlich von Satelliten zu empfangen und dabei jegliche Reflexionen von unten und von den Seiten zu eliminieren. Und noch wichtiger: jegliche Störungen.
Noch wichtiger ist jedoch, dass wir für die Positionsbestimmung relativ niedrig (horizontal) positionierte Satelliten benötigen. Für die Zeitbestimmung hingegen ist es besser, ausschließlich hochstehende Satelliten (ab 30 Grad über dem Horizont) zu verwenden, da deren Signale weniger durch die Troposphäre verzögert werden, was zu geringeren Fehlern in der Zeitberechnung führt. Daher sind Timing-Antennen Antennen, die sowohl niedrigstehende Satelliten als auch Störungen und Reflexionen von unten und von den Seiten nur schlecht empfangen.
Ein weiterer Trick bei Timing-Antennen ist die Polarisation. Satellitensignale sind rechtszirkular polarisiert (RHCP). Bei jeder Reflexion ändert sich die Polarisation, also von rechts nach links, von RHCP zu linkszirkular polarisiert (LHCP) und umgekehrt. Timing-Antennen sind so konstruiert, dass sie RHCP-Polarisation deutlich besser empfangen als LHCP. Diese Eigenschaft wird als Störfestigkeit bezeichnet ( unsere Lösungen zur Störfestigkeit ).
Foto: anti_Jam.jpg Auf dem Foto ist zu erkennen, dass die RHCP-Satellitensignale (schwarz) deutlich besser empfangen werden als die reflektierten LHCP-Signale (rot). Außerdem ist deutlich zu sehen, wie die Empfangsstärke mit zunehmendem Winkel zur Vertikalen abnimmt.
Ein weiteres Merkmal von Timing-Antennen ist das präzise Zeitsignal (1PPS), das an das Gerät übertragen werden muss. Ein Signal mit einer Anstiegszeit von einer Nanosekunde hat ein Spektrum von einem Gigahertz bis zu mehreren hundert Gigahertz, abhängig von der erforderlichen Flankensteilheit. Die Übertragung über ein herkömmliches Kabel ist schwierig; ein hochwertiges Koaxialkabel ist erforderlich. Zudem ist es anspruchsvoll, eine optimale Impedanzanpassung zu gewährleisten, damit die Anstiegszeit nicht am Kabelende reflektiert wird und einen sekundären Peak erzeugt.
Zeitgeberempfänger werden daher näher an Geräten platziert, die präzise Zeit benötigen, und über ein langes Kabel (bis zu mehreren hundert Metern) mit der Antenne verbunden. Dies führt zu einer weiteren Eigenschaft von Zeitgeberantennen: einer hohen Verstärkung (bis zu 40 dB, das entspricht dem 10.000-Fachen) des integrierten rauscharmen Verstärkers.
Die Tatsache, dass Zeitmessantennen üblicherweise auf Metallmasten montiert werden, führt zu drei weiteren interessanten Aspekten.
Erstens ist die Antenne in Raketenform gestaltet, um zu verhindern, dass Vögel darauf landen. Die rote Farbe ist vogelabweisende Beschichtung. Bei einer herkömmlichen Antenne mag eine kurze Unterbrechung durch einen darauf landenden Vogel noch akzeptabel sein, doch für die kontinuierliche Synchronisierung von Prozessen kann dies katastrophale Folgen haben.
- Zweitens ist ein hoher Mast ein attraktives Ziel für Blitze. Daher bieten nur Zeitzünderantennen einen gewissen Blitzschutz. Dieser Schutz ist gewährleistet, da sie in der Regel für 5–6 Blitzeinschläge ausgelegt sind. Sie sollten die letzte Verteidigungslinie gegen Blitze darstellen, nicht die erste. Das dritte Merkmal ist auf dem Foto deutlich zu erkennen: die seitliche Befestigung am Rohr, aus dem der Mast gefertigt ist. Wichtig ist jedoch, dass das Rohr nicht höher als die Grenze zwischen dem oberen (weißen) und dem unteren (roten) Teil sein darf. Auf dem Foto links sind falsch installierte Antennen zu sehen – die roten Rohre sind zu hoch und verursachen starke Reflexionen an der Antenne. Auch das Antennensystem rechts ist niedriger als diese Rohre und empfängt daher ebenfalls reflektierte Signale.
- Da wir gerade über Installationsfehler sprechen, möchte ich Ihnen von dem „ Klavier im Gebüsch “ erzählen. Wie Sie sehen, befindet sich die Antenne am Rand eines Wäldchens, deutlich tiefer als die umliegenden Bäume. Die Erfinder dieses Wunders beklagten sich, dass sie nur von zwei bis drei Satelliten pro System Signale empfangen konnten. Ich wiederhole es noch einmal: Antennen benötigen freien Himmel. Bäume, insbesondere feuchte, können GNSS-Signale erheblich dämpfen und Reflexionen verursachen, wenn Antennen am Waldrand platziert werden.
Stationäre Antennen.
Hierbei handelt es sich um eine leichtere Version geodätischer Antennen. Für Vermesser sind sie wie billiger Christbaumschmuck – sie kosten nur ein Zehntel, liefern aber keine präzisen Daten zur Phasenmittelpunktlage. Für alle anderen, denen ein paar Millimeter Genauigkeit nichts ausmachen, sind sie ein hervorragendes Arbeitsinstrument.
Diese Antennen sind typischerweise pilzförmig mit einer inneren Erdungsfläche und werden auf einen geodätischen Erdungsstab geschraubt. Die wichtigste Aufgabe dieses Stabs ist es, die Antenne über den Wasser- oder Schneespiegel zu heben, der sich bei starkem Regen, Schneefall oder Schneeschmelze auf dem Dach ansammeln kann. Die Anschlüsse dieser Antennen sind genormt und können unter Wasser rosten. Daher empfehle ich, vor der Installation der Antenne auf einem Dach mit Dachrand die maximale tägliche Niederschlagsmenge zu ermitteln und den Erdungsstab etwas höher zu positionieren. In nördlichen Regionen sollte man die maximale Schneehöhe im Winter ermitteln – nicht in Millimetern Wasser, sondern in tatsächlicher Schneehöhe. Alternativ kann man die im Winter unter dem Schnee begrabene Antenne mehrmals freilegen oder aus Erfahrung wissen, dass Antennen unter Schnee schlechter funktionieren.
Eine weitere Funktion des Antennenpfahls ist die Möglichkeit, die Antenne auszutauschen. Dies kann erforderlich sein, um von Vermessern ein offizielles Dokument mit den Antennenkoordinaten zu erhalten. Stationäre Antennen werden auch auf Lkw- und Pkw-Dächern montiert. Der Grund ist derselbe: Um die Antenne vor Schneefall zu schützen, lässt sie sich leichter über dem Dach anbringen. Dies erfordert eine separate Erdungsfläche und eine pilzförmige Konstruktion.
Magnetische Antennen.
Hierbei handelt es sich um Antennen ohne eigene Massefläche, die mithilfe eines Magneten an einer anderen Massefläche befestigt werden, beispielsweise an einem Autodach oder einem Stahlblech. Sie eignen sich ideal für Testzwecke. Da die magnetische Befestigung nicht jahrelang hält, verfügen einige dieser Antennen über Laschen zum Verschrauben. Dies ist besonders praktisch, wenn die Antenne nachts abgenommen werden soll. Manchmal werden solche Antennen anstelle von masselosen Antennen verwendet und in einem Gehäuse auf einer Massefläche platziert.
Als stationäre Antennen sind sie nicht optimal. IP67 erlaubt zwar ein kurzes Eintauchen in Wasser (bis zu einer Minute), aber nicht stundenlanges Liegen in einer Pfütze. Während der Schneeschmelze im Frühjahr fielen mehrere Antennen auf unserem Dach aus (was zu einer verminderten Signalstärke führte). Es stellte sich heraus, dass das Gehäuse dieser Charge einen hauchdünnen Riss aufwies. Der Verstärker war in der Pfütze verrostet. Der Hersteller hat das Problem übrigens eingeräumt. Daher empfiehlt es sich, Antennen an einem Erdspieß zu befestigen, die sich stets oberhalb der Pfütze befinden. Alternativ ist eine Antenne mit der Schutzart IP68 ratsam, die gegen Pfützen immun ist.
Drohnenantennen.
Die Besonderheit einer Drohne liegt darin, dass sie sich bei Flugmanövern stark neigen kann. Daher werden für Drohnen Wendelantennen mit einem Strahlungsmuster verwendet, das die untere Halbkugel miteinschließt; eine Bodenplatte wird nicht benötigt. Ein weiteres Merkmal sind die sehr leichten Antennen mit einem Gewicht von nur 30 Gramm.
Um Gewicht zu sparen, wurde die Zuverlässigkeit der Befestigung beeinträchtigt, und die Drohnenantennen werden einfach auf den CMA-Anschluss geschraubt. Das ist logisch, denn wenn die Drohne abstürzt und beschädigt wird, die Antenne aber intakt bleibt, ist das kaum ein Trost. Daher ist die Zuverlässigkeit der Antennenbefestigung bei Kollisionen in etwa so hoch wie die der übrigen Drohnenteile.
Antennen ohne Boden.
Hierbei handelt es sich um Halbfertigprodukte zur Herstellung stationärer Antennen und kundenspezifischer Geräte (intelligente Antennen). Sie werden üblicherweise auf einer mehrlagigen Leiterplatte montiert, deren Masseebene die Erdungsfläche bildet. Empfänger und Prozessor des Geräts befinden sich auf der Unterseite.
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