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Antennen-Notizbuch 4; Mobil-Antennen

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Im vorliegenden ersten Teil dieses Artikels soll versucht werden, die Vor- und Nachteile der bekannten Mobilantennenformen einander gegenüberzustellen. Dabei geht es nur an letzter Stelle um die Datenblatt-Gewinnwerte, die sich ja nur unter hindernis- und reflexionsfreien Sichtbedingungen reproduzieren lassen. Es sollen vielmehr die aus den Abstrahleigenschaften der verschiedenen Antennenformen resultierenden Erscheinungen im praktischen Fahrbetrieb diskutiert werden. Den Schwerpunkt des zweiten Aufsatzteils bildet die Beschreibung einer zirkular-polarisierten Rundstrahlantenne für den Mobilbetrieb, die gegenüber den herkömmlichen Formen deutliche Vorteile zeigt.

1. Vertikale Polarisation

Aus zwei Hauptgründen wird vertikale Polarisation für den mobilen Funkverkehr bevorzugt: Zum Einen sind vertikale Antennen einfach und stellen kein Hindernis dar, zum Anderen bieten sie Rundstrahlcharakteristik. Da bei Mobilfunk fast immer Reflexionen im Spiel sind, und da die meisten reflektierenden Gegenstände - Gebäudekanten, Lampen-, Telefon-, Hochspannungs- und andere Masten - sich vertikal ausdehnen, scheint vertikale Polarisation einige Vorteile gegenüber horizontaler Polarisation zu haben.

Ein Nachteil der Vertikal-Polarisation ist die höhere Ausbreitungsdämpfung auf manchen Pfaden, wie in bewaldetem Gelände oder in bebautem Gelände ohne passende Reflexionsflächen. Ein weiterer wichtiger Nachteil sind die starken Feldstärkeschwankungen beim Fahren. Sie entstehen durch Mehrwege-Ausbreitung, wenn mehrere reflektierende Objekte Wellen mit unterschiedlicher Phasenlage an die Antenne gelangen lassen. Wellen, die mit gleicher Phase ankommen, addieren sich, bei 180° Phasenverschiebung tritt Auslöschung ein - mit allen Werten zwischen diesen Extremen. Der Unterschied zwischen Maximum und Minimum kann bis zu 70 dB betragen, und das innerhalb von Wegstrecken von beispielsweise nur 50 cm (λ/4 für das 2-m-Band).

1.1. Vertikal polarisierte Mobilantennen

Im praktischen Betrieb ist die Abstrahlcharakteristik einer vertikal polarisierten Mobilantenne weitaus entscheidender als der Gewinn. Bei einer Rundstrahl-antenne muß wachsender Gewinn durch Verringern des Keulen-Öffnungswinkels in der anderen Ebene erkauft werden. Durch den kleineren öffnungswinkel aber werden unter Umständen weniger reflektierende Gegenstände angestrahlt und statt einem Feldstärkeanstieg erhält man eine Verringerung.

Die von den Herstellern angegebenen Gewinnzahlen sind bei Mobilantennen üblicherweise auf eine λ/4-Groundplane-Antenne bezogen. Sie können bei direkter Sicht der Antennen und ohne starke Reflexionen gemessen werden. Normale Werte sind: 0 dB für λ/4-Stab, 3 dB für die 5/8λ-Antenne, 4 dB für eine aufgestockte Kolinear-Anordnung aus λ/4 und 5/8λ, sowie schließlich 5 dB für zwei kolinear aufgestockte 5/8λ-Antennen.

Die Bilder 1 - 4 zeigen die Vertikal-Keulen von Stabantennen verschiedener Länge(1). Man kann erkennen, daß Gewinn nicht nur mit einer Verkleinerung des vertikalen Öffnungswinkels, sondern auch mit einem immer niedriger werdenden Abstrahlwinkel gekoppelt ist. Ein niedriger Abstrahlwinkel ist natürlich in flachem Gelände, wo sich keine Hindernisse im Signalweg befinden, von Vorteil. Wenn das Fahrzeug dagegen von hohen Gebäuden, Masten und dergleichen umgeben ist, oder sich in einem Tal befindet, dürfte sich der verringerte Abstrahlwinkel von Stabantennen mit höherem Gewinn eher nachteilig als vorteilhaft auswirken.

Bilder 1...4: Vertikale Strahlungsdiagramme von vertikal polarisierten Mobil-Antennen.

Experimente mit λ/4- und 5/8λ-Antennen zeigten, daß die 5/8λ-Antenne - in der Mitte des Fahrzeug-Daches montiert - bei stationärem Betrieb den höheren Gewinn brachte. Dieser Vorteil verlor sich jedoch schnell, wenn das Fahrzeug in Bewegung war. Da die 5/8λ-Antenne einen kleineren, für Reflexionen in frage kommenden Bereich "ausleuchtet", ist das Signal-Fading (Feldstärkeschwankungen) viel stärker ausgeprägt. Feldstärke-Unterschiede von 70 dB in λ/4-Abständen sind dabei nicht ungewöhnlich.

Eine λ/4-Antenne auf dem Dach war bei Sichtverbindung der 5/8λ-Antenne um 2 bis 3 dB unterlegen; bei Fahrbetrieb ergab sie jedoch ein weitaus gleichmäßigeres Signal mit weit weniger tiefen Schwundeinbrüchen. Gegenüber 5/8λ-Antennen, die auf den vorderen oder hinteren Seitenteilen des Fahrzeugs montiert waren, erwies sich die λ/4-Antenne auf dem Dach bei Fahrbetrieb immer als überlegen. Bei stationärem Betrieb unter Sichtbedingungen dagegen ergaben die beiden so montierten Antennen praktisch gleiche Feldstärkewerte.

Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten ist der λ/4-Stab der 5/8λ-Antenne für das 2-m-Band überlegen. Bei 120 km/h zeigte die λ/4-Antenne eine im Mittel etwa 20 bis 25 dB höhere Feldstärke in Fahrtrichtung als die 5/8λ-Antenne. Die Hauptursache für den Verlust bei der 5/8λ-Antenne ist, daß sie sich im Fahrtwind biegt, was die λ/4-Antenne kaum tut.

Bei Montage auf den vorderen oder hinteren Seitenteilen des Fahrzeugs zeigte sich die 5/8λ-Antenne dem λ/4-Stab überlegen, weil der Strombauch höher liegt.

1.2. Folgerungen für vertikal polarisierte Mobilantennen

Soweit Funkbetrieb überwiegend während der Fahrt in frage kommt, ist eine in der Mitte des Daches montierte λ/4-Antenne am günstigsten. Für Funkbetrieb vom stehenden Fahrzeug aus ist eine 5/8λ-Antenne in der Dachmitte um 2 bis 3 dB besser als die λ/4-Antenne; es kann jedoch nötig sein, für jede Funkstrekke erneut den günstigsten Standort zu suchen (λ/4-Strecke vor oder zurück). Wenn kein Loch in der Wagendach-Mitte gebohrt werden kann oder soll, kommen Magnetfuß-Antennen in betracht.

Falls die Antenne auf einem vorderen oder hinteren Seitenteil des Autos montiert werden soll, ist eine 5/8λ-Ausführung vorzuziehen. Mehrere Länder, darunter die BR Deutschland, haben allerdings den Einsatz der biegsamen 5/8λ-Stahlruten verboten (Ausnahme: in der Mitte des Wagendaches), weil in scharfen Kurven Fußgänger verletzt werden könnten. Als Ersatz bieten sich die glasfaser-epoxid-verstärkten Typen an (HMP-JAYBEAM, Kathrein), die wegen ihrer Steifheit bei schnellem Fahren auch elektrisch besser sind.

2. Horizontale Polarisation

Bei Mobilbetrieb ist die Feldstärke eines horizontal polarisierten Signals meist wesentlich besser konstant als die eines vertikal polarisierten. Der Grund dafür liegt in geringerer Dämpfung der direkten Welle und im geringeren Auftreten von Mehrfach-Reflexionen. Darüberhinaus weisen die üblichen Mobilantennen für horizontale Polarisation eine größere Ausdehnung in der Horizontalebene auf als die sehr dünnen Stäbe der Vertikalantennen in der Vertikalebene. Die größere Ausdehnung dürfte tiefe, scharfe Feldstärke-Einbrüche überbrücken (Diversity-Effekt). Insgesamt jedenfalls sind die Feldstärkeschwankungen bei Horizontal-Polarisation weit geringer als bei Vertikal-Polarisation - immer vorausgesetzt, daß die Polarisation bei beiden beteiligten Stationen gleich ist.

2.1. Horizontal Polarisierte Mobilantennen

Das Hauptproblem bei Mobilantennen für Horizontal-Polarisation ist, eine echte Rundstrahlcharakteristik zu bekommen. Die tatsächlichenAbstrahl-Charakteristiken weichen weit weniger voneinander ab als bei Vertikal-Antennen, solange sich die Antennen im Abstand von wenigstens λ/2 über dem Wagendach befinden.

Die folgenden Typen von horizontal polarisierten Antennen sind für Mobilbetrieb geeignet; Halo, Kreuzdipol, Winkeldipol, Big Wheel. Jede hat Vor- und Nachteile, die diskutiert werden.

2.1.1. Halo

Dies ist zweifellos die beliebteste Antennenform für Mobilbetrieb mit horizontaler Polarisation. Durch ihre kompakte Form stellt sie kaum ein Hindernis dar. Wie Bild 5 zeigt, ist ihr Horizontaldiagramm nicht vollkommen rund. Ein quadratischer Halo scheint eine rundere Horizontalcharakteristik zu haben, weil die Biegestellen üblicherweise in der Mitte der Strombäuche liegen. Die üblicherweise angewendete Gamma-Anpassung beschränkt die Bandbreite dieser Antennen auf etwa 600 bis 800 kHz. Der Antennengewinn liegt in der Größenordnung von - 2 bis - 3 dB (Quadratische Halo).

Bild 5: Horizontal-Diagramm einer Halo-Antenne.

2.1.2. Kreuzdipol (Turnstyle)

Zwei in Kreuzform angeordnete Dipole, die mit 90 Grad Phasenverschiebung gegeneinander gespeist werden (wie in (2) für Zirkularpolarisation beschrieben), erzeugen ein ausgezeichnetes Rundstrahldiagramm (Bild 6). Auch bei dieser Antenne beträgt der Gewinn - 2 bis - 3 dB. Da dieser Antennentyp ein größeres Hindernis darstellt als ein Halo, und elektrisch außer der größeren Bandbreite kaum Vorteile hat, wird er meist mehr als Rundstrahlantenne in Feststationen und weniger als Mobilantenne eingesetzt.

Bild 6: Horizontal-Diagramm eines Kreuzdipols.

2.1.3. Winkeldipol

Der Winkeldipol war vor einigen Jahren in der BR Deutschland sehr populär. Obwohl er seitlich nicht die scharfen Feldstärke-Einbrüche eines gestreckten Dipols zeigt, ist seine Horizontalcharakteristik doch weit davon entfernt rund zu sein (Bild 7). Da jede Richtwirkung bei Fahrbetrieb fast immer nachteilig ist, kommt der Winkeldipol als Mobilantenne eigentlich weniger in betracht.

Bild 7: Horizontal-Diagramm eines Winkeldipols.

2.1.4. Big Wheel

Diese Antennenform war zwar nie weit verbreitet, genoß jedoch einen guten Ruf bezüglich ihres Gewinns. Sie besteht aus drei endgespeisten, im Kreis angeordneten Dipolen. Da sie horizontal rund strahlt und in der Vertikalebene keine Einengung des Abstrahlwinkels zeigt, erscheint es dem Verfasser unmöglich, daß diese Antenne einen Gewinn aufweist. Antennengewinn entsteht schließlich nur durch Verringerung des Öffnungswinkels in mindestens einer der Ebenen. Da die Horizontalcharakteristik jedoch nicht vollkommen rund ist (Bild 8), könnte ein Gewinn in den drei Hauptachsen auftreten, mit einem entsprechenden Verlust dazwischen. Der Verfasser plant für ein späteres Projekt Versuche mit dieser Antenne und wird dabei den Gewinn messen.

Bild 8: Horizontal-Diagramm einer Big Wheel.

2.2. Schlußfolgerungen für horizontale Polarisation

Die günstigsten Eigenschaften scheint die Halo-Antenne zu bieten, da sicher nur wenige Mobilfunker bereit sein dürften, so große Anordnungen wie Kreuzdipole oder Big Wheel als Dauerinstallation am Fahrzeug zu montieren. Die Halo läßt sich an einem Skihalter montieren oder auch mit ein oder zwei Magneten aus alten Lautsprechern befestigen. Falls Gewinn gewünscht ist, können zwei oder mehr Halos übereinander angeordnet werden.

3. Abschließende Betrachtungen

Es hat sich gezeigt, daß horizontale Polarisation eine wesentlich gleichmäßigere Feldstärke im Mobilbetrieb bringt als Vertikal-Polarisation. Natürlich kann man nicht erwarten, daß alle Sendestationen, und vor allem nicht die FM-Relaisfunkstellen ihre Antennen auf Horizontal-Polarisation umstellen.

Drei Hauptfaktoren beeinflussen bei Mobilbetrieb die Wellenausbreitung:

Erstens Polarisationsdrehungen, die bei der Reflexion auftreten, zweitens Feldstärkeänderungen durch Addition oder Subtraktion von Signalen mit unterschiedlicher Laufzeit bei Mehrfachreflexionen (Wiederholung in λ/2-Abstand) und drittens Abschattungen.

Der zweite Teil dieses Artikels wird beschreiben wie einige Mobilantennen konstruiert sind, um die Vorzüge verschiedener Mobilantennen ohne ihre Nachteile zu erhalten. Es werden eine auf zweijährige Versuche zurückgehende zirkular polarisierte Rundstrahlantenne und eine elektronisch umschaltbare Richtstrahlanordnung für Mobilbetrieb beschrieben.

Erstere zeigt sehr gleichbleibende Eigenschaften bei horizontal und vertikal polarisierten Wellen und stellt somit eine Lösung gegenüber den ersten beiden Hauptproblemen, nämlich Polarisationsdrehungen und Fading durch Mehrwegeausbreitung dar. Dies wird durch einen Diversity-Effekt zwischen den beiden Hauptteilen der Antennenordnung erzielt (3/4λ-Diversity).

4. Literatur

1. Rothammel, K.: Antennenbuch Telekosmos-Verlag Stuttgart 1973, 4. Auflage
2. Bittan, T.: Antennen-Notizbuch - Weitere Überlegungen zur Zirkular-Polarisation, UKW-Berichte 15 (1975), Heft 2, S. 83 - 87

DJ0BQ, Terry Bitten.