Kleiner Antennen-Ratgeber für die Bühne

von netstalker, 24.05.16.

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  1. netstalker

    netstalker HCA Funk- und Netzwerktechnik HCA

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    Erstellt: 24.05.16   #1
    Nachdem es offensichtlich diverse Missverständnisse und Urban Legends im Bereich Antennen gibt hier ein paar Fakten, die dabei helfen sollen die drahtlose Übertragung zu verstehen (nur aus Antennen-Sicht).
    Man möge mir verzeihen, dass ich hier versuche so "Anwendungsgerecht" wie möglich zu schreiben - ich versuche zu viel Fachchinesisch einfach weg zu lassen.

    Jede Funkübertragung (Übertragung elektromagnetischer Wellen) benötigt Antennen - deren Form, Größe und Aufstellung entscheidet über Qualität und Reichweite der Übertragung.

    Die bei unseren Anwendungen (Funkmikro, Gitarrensender, Mixer-Fernbedienung, InEar) üblichen Antennenform ist der sogenannte Viertelwellen-Strahler.
    Für niedrigere Frequenzen kennt den jeder: Die Stabantenne für das Autoradio. Theoretisch müsste jeder Viertelwellenstrahler ein viertel Lamba lang sein.
    Lambda (in der Elektronik mit dem Zeichen λ beschrieben) bezeichnet die Wellenlänge der jeweiligen Frequenz.
    Die Wellenlänge einer Frequenz wird
    [​IMG]
    wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f die Frequenz in Herz ist.
    Zum Veranschaulichen hier mal ein Beispiel mit 800MHz (diese Frequenz wird durchaus noch für Funkmikros und IEM benutzt):

    Für 800 MHz ist die Wellenlänge somit 37,5cm
    Die ideale Länge eines Viertelwellenstrahlers wäre somit 9,3cm.

    Bei 2,4GHz (dem Bereich in dem auch WLan arbeitet) wäre der Viertelwellenstrahler nur noch 3,12cm lang.

    Fast alle Antennen an unseren Sendern (ein- oder angebaut) sind (sichtbar oder unsichtbar) als solche Viertelwellenstrahler ausgeführt. Manchmal als kleine "Gummiantenne", manchmal als Stabantenne oder auch nur ein kleines Stück Draht, das am Sender baumelt. Auf Sonderformen wie Phased-Array, gestockte Antennen usw. möchte ich hier nicht eingehen - das führt zu weit.

    Diese Antennen haben gemeinsam, dass sie sog. "lineare Antennen" sind - d.H. sie strahlen in einer ganz bestimmten Ebene ab bzw. empfangen auch wieder in dieser Ebene.
    Steht die Sendeantenne senkrecht, wird das beste Ergebnis erzielt, wenn auch die Empfangsantenne senkrecht steht - alle anderen "Winkelabweichungen" ergeben Dämpfung auf der Übertragungsstrecke. Wenn man weiß, wie die Antenne im Tablet verbaut ist, kann man schon aufgrund der Haltung die Funkstrecke verbessern.
    Diese Tatsache ist natürlich immer nur ein Hinweis - klar kann man nicht immer dafür sorgen, dass die Antennen gleich ausgerichtet sind - aber es zeigt vielleicht auch, dass es keinen Sinn macht, die Empfangsantennen "waagerecht" aus dem Rack heraus stehen zu lassen. Senkrecht stehend macht da mehr Sinn....
    Durch mannigfaltige Beugung und Reflektion an diversen Gegenständen wird der Empfang im Nahbereich trotzdem in allen Lagen des Senders (es soll ja recht agile Sänger geben)gut funktionieren.

    Zum nächsten Punkt - der Entfernung:
    Im freien Feld werden alle unsere Sender mehrere hundert Meter überbrücken - man spricht von der (quasi-)optischen Sicht zwischen den Antennen.
    Diese optische Sicht ergibt sich meist dann, wenn die Antennen/Empfänger für die Funkstrecken vorne auf der Bühne stehen.
    Jede - und wirklich jede Barriere, egal aus welchem Material dämpft das Signal. Manche Materialien wie Metall mehr oder fast vollständig, andere Materialien weniger Kunststoffe, Molton.....
    Die Dämpfung steigt mit der Frequenz - da, wo z.B. der alte Sender mit 720MHz noch funktioniert hat, geht bei 2,4GHz gar nichts mehr.

    Generell gilt: je freier die Sicht zwischen Sender und Empfänger desto besser das Signal. Auch der Körper des Musikers/Sängers schirmt extrem ab - im 2,4GHz -Bereich genau so viel wie Metall.

    Es kann somit besser sein, den Empfänger für das Funkmikro am FoH zu positionieren anstatt am Bühnenrand - da steht meist keiner dazwischen und der Empfänger hat viel freie Sicht auf den/die Sender.

    Viele Empfänger lassen es bei Rackeinbau nicht zu, die Antennen außerhalb des Racks zu positionieren - da sind Probleme vorprogrammiert. Das Rack-Holz dämpft - und das nicht zu wenig.

    Ideal ist es, wenn die Antennen auf einem extra Rack-Blech sitzen und hinten an den Empfänge mittels Kabel angeschlossen werden. Viele Sender bieten diese Option, manchmal muss man da aber auch ganz schön draufzahlen.
    [​IMG]

    Der Einsatz von Antennen-Splittern macht dann Sinn, wenn mehrere Mikros (oder z.B. IEM Strecken) aus einem Rack heraus betrieben werden sollen.
    Splitter sind Frequenz-selektiv - d.H. für verschiedene Frequenzbereiche benötigt man verschiedene Splitter. Diese Splitter (oft auch schon mal Combiner genannt) enthalten meist auch einen (hoffentlich) selektiven Vorverstärker, da ja die eingehende Empfangs"leistung" auf mehrere Empfänger verteilt werden muss. Auch muss der Verlust durch Kabellänge ausgeglichen werden, falls externe Antennen benutzt werden.

    [​IMG]


    Im hier abgebildeten Splitter können zusätzliche Filter eingebaut werden, die dann den benötigten Frequenzbereich herauspicken und Störungen (z.B. durch Funkgeräte ) vermindern oder ganz verhindern.


    Richtantennen:
    [​IMG]

    Wenn man schon mit externen Antennen arbeitet, dann kann man auch (wieder nicht ganz billig) Richtantennen einsetzen.
    Diese werden dann auf den Bereich gerichtet, in dem sich der Akteur (hoffentlich) bewegt
    Wird diese Richtantenne (im Regelfall eine => Yagi) so wie hier im Bild gezeigt aufgestellt, ist der sog. Öffnungswinkel in dem die Antenne gute Ergebnisse/starkes Signal bringt in der Horizontalen relativ groß, in der Vertikalen eher klein.


    [​IMG]



    Wenn sich Fragen ergeben - ich werde die gerne soweit möglich beantworten
    Bitte keine PN - das Forum ist dazu da, dass alle partizipieren :-)
     
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  2. HenrySalayne

    HenrySalayne Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 24.05.16   #2
    Als Ergänzung/Korrektur:
    Ein Splitter (Trenner) dient zum Verteilen eines Signals auf mehrere Ausgänge. Dies kann passiv oder aktiv erfolgen - genau wie im Audiobereich. Passive Splitter können entweder normale Y-Adapter sein oder noch zusätzliche Elektronik enthalten, die bspw. die DC-Speisespannung mancher Empfänger filtert.
    Ein Combiner (Zusammenfüger) dient zum zusammenfügen von HF-Signalen. Auch dieser kann wieder aktiv oder passiv aufgebaut sein. Hier sind Y-Adapter allerdings nicht möglich, weil die Quellen sonst gegeneinander arbeiten würden - aus dem gleichen Grund darf man keine zwei Audioquellen parallel verschalten.


    Die Antenne

    Antennen haben wie Mikrofone veränderliche Empfindlichkeiten in verschiedene Richtungen. Die häufigsten Rundstrahlantennen sind Viertel- oder Halbwellenstrahler, die in axialer Richtung ihre minimale und in radialer Richtung ihre maximale Empfindlichkeit besitzen. Bei Halbwellenstrahlern ist der Gewinn in radialer Richtung auf Kosten der axialen Richtung größer.
    [​IMG]
    Wie @netstalker schon angesprochen hat, spielt die Polarisation für diese Antennen eine große Rolle. Polarisation beschreibt die Schwingungsebene einer Welle. Jegliche Welle hat sowohl eine orthogonale als auch eine parallele Komponente in Relation zur Ausdehnung der Stabantenne. Die Stabantenne kann allerdings nur die parallele Komponente "sehen". Im ungünstigsten Fall (parallele Komponente 0, also Schwingungsebene zur Antenne 90°) empfängt die Antenne also nichts, obwohl ein ausreichend großes Signal da ist. Sehr anschaulich sieht man den Effekt in dieser Animation mit polarisiertem Licht:

    [​IMG]

    Einen wirklichen Effekt für die Antennentechnik spielt es eigentlich nur in der Raumfahrt (Sat-Fernsehen kommt bspw. zur besseren Auslastung des Trägers einmal hoizontal und vertikal polarisiert getrennt an) und im Richtfunk, während im Veranstaltungsbereich durch Reflexion die Polarisation kaum eine Rolle spielt.



    Daneben gibt im professionellen Bereich noch zwei andere Konstrukte, die man häufiger sieht: Die sogenannte Yagi-Uda-Antenne und der Helix- bzw. Wendelstrahler.
    Die Yagi-Antenne bündelt sowohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung stark, lässt sich am ehesten mit einem Shotgun-Mikrofon (Charakteristik Keule) vergleichen und polarisiert linear.
    [​IMG]
    [​IMG]

    Der Helix-Strahler entspricht einer Spiralfeder als Antenne. Dabei werden abgestrahlte Wellen zirkular polarisiert. Als Empfangsantenne spielt die Polarisationsebene keine Rolle und linear polarisierten Signale werden unabhängig vom Winkel gleich stark eingefangen. Auch hierbei handelt es sich um eine stark richtende Antenne.
    [​IMG]



    Antennenplatzierung und -orientierung

    Antennen sollten immer mindestens eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt sein - besser sind noch größere Abstände. Das gilt nicht nur für Antennen bei Diversity sondern auch für mehrere Antennen bei der Verwendung mehrerer Systeme. Antennen verzerren das Elektromagnetische Feld und beeinflussen sich dadurch bei zu geringem Abstand gegenseitig ("klauen" sich die Sendeleistung).
    Diversity funktioniert nur dann richtig gut, wenn die Antennen nicht durch den gleichen Effekt bspw. Interferenz bzw. ein Objekt abgeschattet werden, daher müssen die beiden Antennen räumlich getrennt werden.

    Die Antennen selbst sollten auf Grund der Polarisation und bei den Rundstrahlantennen der Richtcharakteristik immer im 90°-Winkel zueinander positioniert werden. Damit reduziert man auch die gegenseitige Beeinflussung bei geringem Abstand.
    Sollten die Antennen abgesetzt sein, sollte man die Kabelstrecke zwischen Empfänger und Antenne möglichst kurz halten (Verluste). Das gilt auch für aktive Antennen (mit eingebauten Verstärker) und nach Boostern.
     
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