Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

1 Ausbreitung von Radiowellen I © Roland Küng, 2013.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "1 Ausbreitung von Radiowellen I © Roland Küng, 2013."—  Präsentation transkript:

1 1 Ausbreitung von Radiowellen I © Roland Küng, 2013

2 2 Large and Small Scale Model

3 3 Freiraumausbreitung Leistungsdichte p(d) [W/m 2 ] Empfangsleistung P r [W] P t : Sendeleistung [W] Ae: äquivalente Antennenfläche [m 2 ] Isotroper Strahler: d: Distanz [m]

4 4 Antennenfläche Ae Parabolreflektor: Ae  D 2 D: Durchmesser

5 5 Nahfeld - Fernfeld Fernfeld beginnt bei: Vector D: grösste Dimension der Antenne : Wellenlänge Dipol Im Fernfeld dominiert Radiation Term

6 6 Antennen Basics Charakterisierung 3D Diagramm durch: horizontales (Azimuth) und vertikales Pattern (Elevation) Bestimmung: Schnittebene vertikal und horizontal Im Fernfeld auf Kreisbahn laufen und Signalstärke messen 0 dB Bezug ist der isotrope Strahler

7 7 Antennen Basics Praktische Antennen sind nicht isotrop Sie haben einen Gewinn G in dB (genauer dBi) Flächenvergleich an Einheitskugel: (Annahme: sin    ) Horizontal, Vertikal - Diagramm Aus Maxwell-Gl. für Empfang: Bsp. 868 MHz RFID Antenne: Beilage Kap.1 …/~kunr/ntm.html D: Durchmesser

8 8 Tabelle einiger Antennen

9 9 Abgestrahlte Leistung: EIRP Note 1: EIRP = Effective Isotropic Radiated Power [W] Note 2: Isotropic Antenna hat G = 1 Note 3: statt G dBi steht oft nur G dB oder G Gemessene Feldstärke auf Kreis um Sender in Abhängigkeit des Richtungswinkels für fixes P t : Transmitter Regulations beschränken fast immer das EIRP!

10 10 Review dB, dBW, dBm Leistung in Watt Leistung in dB W Leistung in dBm 10 W10 dB W40 dBm 1 W0 dB W30 dBm 100 mW-10 dB W20 dBm 10 mW-20 dB W10 dBm 8 mW-21 dB W9 dBm 5 mW-23 dB W7 dBm 4 mW-24 dB W6 dBm 2.5 mW-26 dB W4 dBm 2 mW-27 dB W3 dBm 1 mW-30 dB W0 dBm 100  W -40 dB W-10 dBm 10  W -50 dB W-20 dBm 1  W -60 dB W-30 dBm 1 nW-90 dB W-60 dBm 1 pW-120 dB W-90 dBm P [dBm] = P [dBW] + 30 dB Verstärkung G P out = G·P in P out [dBm] = P in [dBm] + G[dB] Z 0 System

11 11 Freiraum – Formel (Fernfeld) Empfangsleistung Sendeleistung Wellenlänge Gewinn TX-Antenne Gewinn RX-Antenne Distanz in dBm: mit Referenzpunkt: zur Erinnerung:

12 12 Streckendämpfung (Path Loss)  Je höher die Frequenz desto mehr Dämpfung  Je weiter die Distanz desto mehr Dämpfung Freiraum heisst Sichtverbindung [dB] 6 dB mehr pro Verdoppelung von d 6 dB mehr pro Verdoppelung von f

13 13 Summary Formeln “Freiraum” Dämpfung vom Sender zum Empfänger Dämpfung der Strecke

14 14 Freiraum - Beispiel  GSM Zelle mit Basisstationsantenne mit D = 1 m operiert bei 900 MHz. Der Sender arbeite mit 10 W und Antenne mit G t = 5. Das Handy hat G r = 1 und arbeitet ab -90 dBm Empfangspegel korrekt.  Die Distanz d muss grösser als 2D 2 / = 6 m sein, damit die Fernfeld Formeln (bei Sichtverbindung) gelten.  EIRP = 50 W oder entsprechend 47 dBm  Die Empfangsleistung in 100 m Distanz in Richtung max. Antennen Gain beträgt: In 10 km Abstand ergibt sich: Für P r = -90 dBm wird theor. d = 200 km Note für dB Freaks: 26 dB  Distanz mal 10 mal 2

15 15 GSM Parameter Basisstation Parameter Betreiber abhängig: P t : bis 50 W bei GSM-900 (typ. 15 W) P t : bis 20 W bei GSM-1800 (typ. 5 W) Antennengewinne TX, RX bis 17 dB (linear 50)  bis 1000 W pro Trägerfrequenz möglich (8 TDMA User) Mobile: Antennengewinne ~0…2 dB

16 16 E-Feld, H-Feld Im Fernfeld (Freiraum) gilt überall dieselbe Beziehung zwischen E- und H-Feld: Maxwell Empfängerspannung: Note: E(d) ist keine Funktion von f

17 17 E-Feld, H-Feld  Matched Antenna: R ant = R in bzw. R ant = R out  Genereller Ansatz, Draht mit effektiver Länge l eff i.A.schwierig zu berechnen:  Note: H-Feld wird wenig eingesetzt im Fernfeld (Ausnahme Ferritantennen LW, KW Empfang) Loop mit N turns und Fläche A A<< 2, sonst entsteht mixed E/H - Antenne Matching schwierig, deshalb meist als Resonanzkreise realisiert

18 18 Freiraum  Praxis Wave House see …/~kunr/ntm.html

19 19 Reflexion (Reflection) Einfachster Fall: 2-Ray Path Model Problem: Durch vektorielle Addition ist Auslöschung möglich Zu beobachten bei: Verbindungen auf See, Funk im Flachland, Fabrikhallen, Fassaden aus Metall Praxis: viele Reflexionen! aber oft ist eine dominierend

20 20 Transmission/ Reflexion  Perfekte Leiter reflektieren praktisch 100%  für Polarization E-Feld // Reflektorfläche: Phasendrehung  für E-Feld ┴ Fläche: 0 0 Phasendrehung  Dielektrische Stoffe reflektieren einen Bruchteil der einfallenden Energie  Flache Winkel reflektieren maximal*  Steile Winkel lassen maximal* passieren  Phasendrehung entsteht  für Polarization mit E-Feld // Reflektorfläche  unabhängig von Polarization falls gilt:   worst case  = -1 ii r t *The exact fraction depends on the materials and frequencies involved Note: Def. Einfallswinkel Physik: 90-  oo

21 21 Magnitude of Reflection Coefficients at a Dielectric Half-Space: Transverse Magnetic (TM) Polarization Different materials give different behavior TM has 180 o phase shift only for high incident angle TM Polarization Reflection coefficient |    | Incident Angle    r =81  r =25  r =16  r =9  r =4  r =2.56 y   z x  90º HH    Physik

22 22 Magnitude of Reflection Coefficients at a Dielectric Half-Space: Transverse Electric (TE) Polarization Different materials give different behavior TE polarization has 180 o phase shift TE Polarization Reflection coefficient |    | Incident Angle    r =81  r =25  r =16  r =9  r =4  r =2.56 y  z x  90º EE   Physik

23 23 Reflexion Mit Auslöschung bei Wegunterschied von k∙ (k  0,1,2,3…) Worst Case  d Laufzeitdifferenz  c Kreisfrequenz Träger d Abstand T-R do Referenzdistanz Eo do

24 24 Reflexion (Worst case) Für grosse Distanz gelten Näherungen: Letzte endliche Nullstelle Exakt: Auslöschungen bei Wegunterschied von k∙ unabhängig von f

25 25 Reflexion - Beispiel 1 10 km Ref: do = 1 km Eo = 1 mV/m (-74 dBm) hr = 1.5 m Gr = 2.55 dB Wellenlänge = m. Lineares Gain G r =1.8 Die Näherungen gelten für Distanzen P r (10000) = 8 fW  -110 dBm Mit vgl. Freiraum E d = 0.1 mV/m P r = 0.42 pW, -94 dBm 2ray Online Tool: Geg: hs = 25 m GSM sensitivity -102 dBm GSM f = 900 MHz

26 26 Reflexion - Beispiel 2 10 km GSM f = 900 MHz hr = 2 m hs = 20 m Gr = 3 dB GSM sensitivity -102 dBm vgl. Freiraum Geg: P t G t =EIRP = 1000 W Pr = 0.3 nW also -65 dBm Pr = 12 nW, -49 dBm Letzte Nullstelle bei Online Tool: 2ray

27 27 r = radius in meters d = total distance in kilometers f = frequency transmitted in gigahertz. Sind mindestens 80% der Fresnel Zone frei von Hindernissen, dann entspricht der Ausbreitungsverlust etwa dem Freiraum. F2, F3… sind meist schon abgeschwächt. Rotationsellipsoid: Am Rand der ersten Fresnel Zone F1 beträgt der Umweg für das reflektierte Signal eine halbe Wellenlänge. Da  = -1 ist führt dieser Unterschied zu konstruktiver Signaladdition beim Empfänger. Hilfsmittel Planung: Fresnel Zone Ansatz: Mit Richtantennen flache Winkel problematisch  d 4 – Abfall vermeiden Operating Point Fn… F3 F2 F1

28 28 Beugung (Diffraction) f = 1900 MHz At Street Front At Knife Edge Around Corners Through Openings

29 29 Beugung Physik: Diffraktionsfaktor v: h P > 0 heisst keine Sichtverbindung Note: Strahlensatz aus der Geometrie ist hilfreich hphp r1r1 r2r2 htht hrhr h p : Höhe Knife Edge K Beschränkung auf Beugung an Kanten (Knife Edge)

30 30 Beugung Diffraktionsfaktor Für v < -2.4 (starke Abschattung) gilt für Gainfaktor £: zunehmend im Schatten Streifen Sicht Der negative Wert von £ ist zusätzlich zum Freiraumdämpfung wirksam!

31 31 Beugung - Beispiel Beispiel (in Metern) : r 1 = 5.28 km r 2 = 2.88 km h p = 19.5m Frequenz f = 850 MHz Der Parameter v berechnet sich zu: Aus Graphik liest man £ = -14 dB, also eine Dämpfung von 14 dB. Diese Dämpfung addiert sich zu der Freiraumdämpfung für die Distanz d = r 1 + r 2 FEET hphp DOS* * Tool auf

32 32 Streuung (Scattering) Empfangsleistung (linear) RCS = Radar Cross Section [m 2 ] Applikation Radar: d t = d r d t Distanz zum Sender d r Distanz zum Empfänger Neue Kugelwellen

33 33 Streuung - Beispiel Large 5 km Ship Tanker Truck Automobile Jumbo Jet

34 34 Das Linkbudget (Rep. ASV Kap.4 ) kT = -174 dBm/Hz bei Raumtemp. Meistgebraucht: Beziehungen in der log-Version (dB, dBm): PL path https://home.zhaw.ch/~kunr/asv.html

35 35 Bsp. Link Budget 8000 – m

36 36 Bsp. Link Budget erhalten wir d max ≈ 10 km zwischen Motorrad und PC12. Motorrad und PC12 grob in Hauptstrahlrichtung der Antenne (GPS geregelt) Einfluss Atmosphären/Waldbedeckung Durch Einsetzen von PL path = 120 dB und f = 2500 MHz in die Formel TX-Motorrad 26 dBm bzw. 400 mW Zuleitung TX -1 dB Antennengewinn +4 dBi dBi: (isotrop) EIRP 29 dBm Summe Zuleitung RX PC12 -1 dB Dämpfung Bäume + Atmosphäre -6 dB Antennengewinn PC dBi Summe 35 dBm minimale Empfindlichkeit RX (Datenblatt) - 85 dBm  max. Ausbreitungsdämpfung Amax 120 dB GSM* Abschätzung für Uplink vom Motorrad zum PC12 *Linkbudget auf https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html unter Kap.2https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html


Herunterladen ppt "1 Ausbreitung von Radiowellen I © Roland Küng, 2013."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen