Antennendiversität

Antennendiversität (englisch „antenna diversity“) bezeichnet die Verwendung mehrerer Antennen pro Sender oder Empfänger bei der Funkübertragung, zum Beispiel als Strategie zur Reduzierung von Interferenz-Effekten. Dies ist besonders bei mobilen Funkanwendungen sinnvoll. Man unterscheidet zwischen Makrodiversität, bei der die Antennen teils weit mehr als hundert Meter auseinander liegen, und Mikrodiversität, bei der die Antennen zum Beispiel mit nur einer Wellenlänge Abstand angeordnet sind.

Empfangsdiversität

Bei der Ausbreitung von Funkwellen treten Reflexionen der Funkwelle an Gebäuden oder dem Erdboden auf, ähnlich wie beim Schall Echos in den Bergen. Es kann dann passieren, dass sich die direkte Funkwelle mit einer reflektierten Funkwelle an einer bestimmten Stelle auslöscht (Interferenz), da es zwischen beiden aufgrund der unterschiedlichen Weglänge zu einem Laufzeitunterschied und damit zu einer Phasenverschiebung kommt. Beträgt zum Beispiel die Verschiebung eine halbe Wellenlänge, kommt es zur Auslöschung oder zumindest zu einer Schwächung des Signals.

Benutzt man nun mehrere Empfangsantennen, so ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich mindestens eine der Antennen an einer Stelle befindet, die nicht von der Signalauslöschung betroffen ist. Entsprechend ist im Empfänger eine Funktion erforderlich, die erkennt, welche der Antennen gerade das beste Signal empfängt und dann deren Signal verwendet. Dazu kommen noch allgemeine Störungen und Pegelschwankungen.

Funktionsprinzip

Blockschaltbild Antennendiversität mit zwei Antennen

Das Bild zeigt ein Verfahren, bei welchem jede Antenne einen eigenen Empfänger besitzt, der das Antennensignal misst. Das Messergebnis geht dann zu einem Auswerter, der einen elektronischen Schalter steuert und dem Hauptempfänger (zum Beispiel einem Radio) die Antenne zuschaltet, die den höchsten Pegel beziehungsweise den besten Rauschabstand erzeugt („Selection Diversity“). Zusätzlich zu den Empfängern in den Antennenzweigen gibt es also einen dritten Empfänger, der dann das Signal zum Beispiel als Bild oder Ton weiterverarbeitet.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, Antennen unabhängig voneinander messen zu können, ohne dass ein Antennenwechsel erfolgen muss. Einer der Nachteile besteht darin, dass für jede Antenne ein eigener Empfangszweig vorhanden sein muss. Dies ist mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden, welcher gerade in mobilen Endgeräten (zum Beispiel in der Automobilindustrie, im Mobilfunk, …) möglichst gemieden wird.

Im Bereich der funktechnischen Übertragung von Mikrofonsignalen ist die Konstruktion mit mehreren Empfängern ein Qualitätsmerkmal und wird mit „True Diversity“ bezeichnet. Hochwertige Funkmikrofone beziehungsweise deren Empfangsteile sind in der Regel nach diesem Prinzip aufgebaut.

Der Begriff „Scanning-Diversity“ bezeichnet ein Verfahren, welches das Umschalten verschiedener Antennen an einen Empfänger beinhaltet. Unterschreitet die momentan aufgeschaltete Antenne einen festgelegten Wert oder weist die Antenne ein Störsignal auf, so wird dem Empfänger die nächste, das Kriterium erfüllende Antenne angeboten. Weitere Antennen lassen sich problemlos integrieren (ein weiterer Port am Umschalter vor dem Empfänger und der Auswertelogik). Im gesamten System ist lediglich ein Empfänger vorhanden, welcher neben der der Nachrichtenübermittlung auch der Signalauswertung für die Diversitäts-Logik dient.

Die o. a. Verfahren setzen eine HF-Signalverarbeitung voraus, Mischformen sind möglich.

Der Begriff „Digital-Diversity“ wird für ein Verfahren genutzt, bei welchem das hochfrequente Antennensignal in das Basisband heruntergemischt und anschließend digitalisiert wird. Die weitere Verarbeitung im Empfänger erfolgt vollständig digital, mit allen sich bietenden Vor- und Nachteilen. Ein Vorteil besteht beispielsweise in der Anwendung digitaler Filter zur präzisen Kanaltrennung bei Nachbarkanalstörungen, ein Nachteil ist der enorme Kostenaufwand zur Integration weiterer Antennen (siehe oben, steigende Anzahl von Empfängerzweigen). Mit aufwendigeren Verfahren, wie sie zum Beispiel beim Mobilfunkstandard UMTS benutzt werden, können die Signale mehrerer Antennen gewichtet addiert werden, um den Signal-Rausch-Abstand zu optimieren. Basisstationen haben zu diesem Zweck gewöhnlich mehrere (oft zwei) Empfangsantennen für eine Zelle. Auf Mobiltelefonseite ist es weitaus schwieriger und teurer, mehr als eine Antenne in ein Gerät zu integrieren. Infineon hat einen solchen HF-Chip (namens SMARTi™ UE+^[1]) 2008 das erste Mal präsentiert^[2].

Sendediversität

Da bei manchen Funkgeräten (zum Beispiel Mobiltelefonen) die Realisierung von Empfangsdiversität zu aufwändig ist, kann auch senderseitig (hier: Mobilfunk-Basisstation) mit mehreren Antennen gearbeitet werden. Da das gleichzeitige Aussenden eines Funksignals über mehrere Antennen zu (unerwünschten) Richtwirkungen führen würde, muss entweder schnell zwischen den Sendeantennen umgeschaltet werden oder es wird zeitversetzt gesendet, was aus Sicht des Empfängers einer Mehrwegeausbreitung entspricht. Dies ist jedoch nur sinnvoll, wenn der Empfänger in der Lage ist, die Signale von mehreren Ausbreitungswegen zu kombinieren.

Antennenanordnungen

Es wird zwischen Raumdiversität und Polarisationsdiversität unterschieden.

Beim Raumdiversität werden (identische) Antennen in gewissem Abstand zueinander aber mit gleicher Ausrichtung montiert. Ein Mindestabstand von zehn Wellenlängen (= Faustformel) sollte eingehalten werden, um den Diversitätsgewinn voll auszunutzen.

Bei Polarisationsdiversität werden zwei Antennen mit einem Winkelunterschied von 90° zueinander montiert. Da sich Interferenz zu einem bestimmten Zeitpunkt und Ort meist nur auf eine Polarisationsrichtung auswirkt, kann mit gekreuzten Antennen ein Diversitätsgewinn erzielt werden. Das hängt damit zusammen, dass (bei linearer Polarisation) durch Beugung oder Reflexion an Gegenständen die Polarisationsebene gedreht werden kann. Bei rotierender Polarisation kann durch Reflexion die Rotationsrichtung verändert werden. Hier kommen dann zwei Antennen mit unterschiedlicher Rotationsrichtung zum Einsatz.

Im Gegensatz zur Diversität werden bei speziellen Antennenpaaren die Interferenzen nicht verringert, sondern verstärkt und zu Richtungsmessungen benützt.

Anwendungsbeispiele

Moderne Autos haben beispielsweise oft die Antennen in den Front-, Heck- oder auch Seitenscheiben und zum Teil auch in den Stoßstangen eingebaut.

Bei fast allen WLAN-Accesspoints werden inzwischen zwei Antennen verwendet.

GSM- und UMTS-Basisstationen verwenden meistens Empfangsdiversität. Einige Hersteller von Netztechnik bieten bereits zusätzlich Sendediversität an.

Smart Antennas

Einen Schritt weiter als Diversität geht das Prinzip der Smart Antennas. Hierbei wird ein Array von vier oder mehr Antennen eingesetzt. Die Signale der Einzelelemente werden über einstellbare Phasenschieber kombiniert. Hierdurch entsteht eine Richtwirkung, die elektrisch eingestellt werden kann. Dazu dient das Prinzip der Phased Array Antenne.

Eine weitere Anwendung findet Diversität im Rahmen von HSDPA-Datenkarten.

DVB-T in Fahrzeugen

Dank Diversitäts-Empfängern ist auch der DVB-T-Empfang in einem bewegten Fahrzeug möglich. Je nach Kanal kann eventuell ein störungsfreies TV-Signal empfangen werden. Das funktioniert in den unteren Kanälen bis etwa 160 km/h.

Literatur

• Eberhard Spindlert: Das große Antennen-Buch. 11. Auflage, Franzis-Verlag GmbH, München, 1987, ISBN 3-7723-8761-6
• Jürgen Detlefsen, Uwe Siart: Grundlagen der Hochfrequenztechnik. 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München Wien, 2006, ISBN 3-486-57866-9
• Hans Lobensommer: Handbuch der modernen Funktechnik. 1. Auflage, Franzis Verlag GmbH, Poing, 1995, ISBN 3-7723-4262-0

Siehe auch

• MIMO (Nachrichtentechnik)

Weblinks

• Beschreibung verschiedener Prinzipien von Antennendiversität mit Bildern und Formeln

Quellenangaben

1. ↑ http://www.infineon.com/cms/de/product/channel.html?channel=db3a304317a748360117c1211e9241cf, Produktbeschreibung
2. ↑ http://www.infineon.com/cms/de/corporate/press/news/releases/2008/INFCOM200802-040.html, Pressebericht, 11. Februar 2008