Hallo! Ich habe diese Frage auch schon gestern unter www.amateurfunk-forum.de gestellt, bisher hat sich aber noch keine große Diskussion ergeben, deshalb noch einmal hier mein Versuch, da es mir unter den "Fingernägeln brennt" ;-) Mit einem ehemaligen Kommilitonen (wir hatten unser Studium beide eher auf DSV ausgelegt, deshalb sind wir nicht sonderlich "HF-sicher") hatte ich vor kurzem eine Unterhaltung zum Thema Rauschzahl in Empfägersystemen. Unsere Überlegungen: Wir haben einen beliebigen Empfänger mit beispielsweise NF = 3 dB und G = 12 dB (die praktische Relevanz dieser Daten bzw deren Realitätsnähe sei dahingestellt, es ging uns eher um den theoretischen Aspekt). Diesem Empfänger vorgeschaltet sei Antenne mit NF = 0 dB und G = -6 dB (Dämpfung wird entweder durch deren Richtwirkung bei nicht Ausrichtung auf den Sender oder in einer zweiten Überlegung durch eine Fehlanpassung der Impedanzen verursacht. Es soll kein ohmscher Verlust in der Antenne betrachtet werden!). Kann man auf diese Komplettsysteme (entweder bei Antenne mit Richtwirkung oder mit Fehlanpassung) die Kettenregel für Rauschzahlen anwenden? Also ist die Rauschzahl des Gesamtsystems: NF = 1 + (2 - 1) / 0,25 = 5 = 7 dB ? Wir sind uns sehr unsicher, da eine Antenne ja einerseits nicht so richtig mit den Komponenten (Dämpfungsglieder, Verstärker,...) vergleichbar ist, für die die Kettenregel üblicherweise angewandt wird, andererseits, laienhaft ausgedrückt, das Nutzsignal im System hinter der Antenne jetzt 6 dB dichter am Grundrauschen liegt als im Vergleich zu einer Antenne mit 0 dB, das SNR also um 6 dB schlechter ist. Ich hoffe, ich konnte meine Überlegungen einigermaßen verständlich niederschreiben. Im Voraus schon mal vielen Dank für eine Antwort! guelcki
Ich denke, die Rechnung stimmt. Natürlich verbessert eine Antenne mit Gewinn die 'noise figure' des gesamten Systems. Zusätzlicher Antennengewinn ist ja sowas wie Verstärkung kostenlos :-) und reduziert entsprechend Fges=F1+(F2-1)/G1 die gesamte Rauschzahl.
Intuitiv ist das auch mein Gedanke gewesen, ich kann diesen aber nicht mit Literatur oder ähnlichem belegen. Sind hier denn noch andere der gleichen Meinung? Oder wissen vielleicht sogar, wie man das belegen kann?
Der Antennengewinn ist doch nur bezogen auf den isotropen Rundstrahler, keine echte Verstärkung. Sonst könnte man ja auch zwei Parabolspiegel mit je 30 dB Gewinn "Rücken an Rücken" verbinden und hätte einen 60dB-Verstärker ohne Stromversorgung. Antennen gehen insofern ins Rauschen ein, wenn sie gegen den "kalten" Himmel gerichtet noch vom stärker rauschenden Boden über Nebenzipfel Energie aufnehmen. Für Erde-Mond-Erde-Antennen ist die Nebenzipfelunterdrückung ein wesentliches Kriterium.
Ja, dass mit dem Antennengewinn hatte ich schon für mich fast ausgeschlossen, es geht mir eigentlich nur noch um das Verhalten bei einer Dämpfung des Empfangssignals durch Fehlanpassung. Fließt diese Dämpfung in die Kettenregel mit ein?
>Ja, dass mit dem Antennengewinn hatte ich schon für mich fast >ausgeschlossen, Ergänzung: Mein Posting von 13:30 ist in diesem Zusammenhang mindestens missverständlich, wenn nicht sogar unsinnig. Ich meinte auch da eher die Frage mit der Fehlanpassung.
Fehlanpassungen gibt es zwei, die des Verstärkereingangs und für reflektierte Signale noch die der Antenne. Was vom Verstärker an Energie reflektiert wird, wird von der Antenne wieder abgestrahlt, das ist natürlich für den Empfänger verloren.
Okay, wenn wir jetzt davon ausgehen, dass der Verstärker die Leistung durch Fehlanpassung reflektiert, führt dies zu einer Erhöhung der Rauschzahl? Ist meine simple Überlegung richtig, dass zum Beispiel durch die Dämpfung des Signals um 6 dB, das SNR jetzt auch um 6 dB schlechter ist, da dass Signal jetzt dichter am Grundrauschen liegt? Und kann man in diesem Fall die Kettenregel wie oben beschrieben anwenden?
wie gesagt, ich kann mir einen Antenne nicht so recht als Zweitor denken, mit Ein- und Ausgang wie die restlichen Stufen. Sonst könnte man wirklich zwei Parabolspiegel gegenüberstellen und die beiden 50-Ohm-Anschlüsse als Tore betrachten, die dann 60 dB Gewinn dazwischen haben. Durch die Fehlanpassung des Verstärkers sinkt erst mal der Gewinn der Antenne. Eine Fehlanpassung der Antenne wird hauptsächlich zu Schwingen der Eingansstufe führen, wenn die nicht absolut stabil ist für passive Eingangsabschlüsse aller Art (=irgendwo im Inneren des Smith-Diagramms gelegen).
>Sonst könnte man wirklich zwei Parabolspiegel gegenüberstellen und die beiden >50-Ohm-Anschlüsse als Tore betrachten, die dann 60 dB Gewinn dazwischen >haben. Dem stimme ich durchaus zu. Aber was sagst du denn im Falle einer Fehlanpassung zu meiner Überlegung mit dem SNR? Wird das SNR dadurch schlechter?
>>Sonst könnte man wirklich zwei Parabolspiegel gegenüberstellen und die beiden >>50-Ohm-Anschlüsse als Tore betrachten, die dann 60 dB Gewinn dazwischen >>haben. >Dem stimme ich durchaus zu. Also ich stimme zu, dass das man das so nicht betrachten kann.
Für Pegelpläne einer Funkverbindung rechnet man das ja so: Die Sendeendstufe macht z.B +40dBm Ausgangsleistung, dann kommen ein paar dB Dämpfung vom Antennenkabel, dann ein paar dB Antennengewinn der Sendeantenne, dann die Funkstrecke mit -100irgendwas dB, dann wieder ein paar dB Antennengewinn empfangsseitig, und dann der Empfänger mit seiner Rauschzahl und dem nötigen minimlen Empfangspegel für einen bestimmten Störabstand. Hier ist die Antenne wirklich ein Kästchen mit zwei Anschlüssen. Aber die Antenne als Teil des Empfängers zu betrachten und als Eingang die "Luftschnittstelle" zu sehen - ich weiß nicht, das ist jedenfalls nicht üblich.
Doch, man kann die Luftschnittstelle als Eingang sehen, mit einer einfallenden Leistung von minus-hundert-irgendwas dbm pro Quadratmeter, einem effektiven Antennenqueschnitt von x Quadratmetern und so einen Pegel von minus-hundert-irgendwas dbm am Eingang haben.
>Aber was sagst du denn im Falle einer Fehlanpassung zu meiner Überlegung >mit dem SNR? Wird das SNR dadurch schlechter? Weiß jemand eine Antwort darauf?
Hi, guelcki, such mal nach Patenten (z.B. http://www.patentfamily.de) unter den Stichworten "aktive Antenne" und "Prof. Dr. Flachenecker. Auch "Franz Demmel" und "Herbert Steghafner". Deine Frage ist mit bequemen Konsumentendenken weder klar zu beantworten, noch die richtige Antwort richtig zu verstehen. Gerade aktive Antennen (Empfangsantennen) sind die Spitze der Kunst - absichtlich fehlangepaßt, was den Antennengewinn angeht, aber optimal angepaßt auf die Impedanz des geringsten Rauschens des aktiven Elementes. Dazu muß man den Weg vom freien Raum bis zum Empfänger zweckmäßig unterteilen: 1. der Übergang vom freien Raum zum passiven Teil der Antenne, (Achtung wegen Richtwirkung und Gewinn - die beiden darf man nicht verwechseln) 2. der Übergang zum passiven Teil zum Transistor, 3. Übergang zum Koax-Kabel, 4. Empfänger mit Impedanz und Rauschzahl. Grundsätzlich ist die Ketttenregel anwendbar. Wenn Du das gelöst hast, dann berechne mal die Systemeigenschaften zweier aktiver Antennen, die am Kabel auf einen PowerCombiner auflaufen - wie gehen die Rauschzahlen der beiden parallel geschalteten Antennen ein? Ciao Wolfgang Horn
Das "Koax-"kabel nicht vergessen. Es gibt nicht grundlos 75 Ohm bzw. 50 Ohm. Da geht/ging u.a. der Aspekt Rauschen auch ein. Gruß C. p.s.: Antenne als Verstärker: Nun, eine gute Antenne "sammelt" mehr elek. Energie aus ihrer Umgebung bzw. sendet diese zielgenauer.
So ein Blödsinn ! Schau doch mal unter Amateurfunkforum.de, da steht doch schon der LINK zur Lektüre! Habe es selber gelesen, leider habe ich nur Band I vom Meinke-Gundlach. Gruß Werner
@Wolfgang Horn Habe das Patent mal überflogen, es ist aber nicht wirklich auf meine Frage anwendbar. Das eine aktive Antenne mit Verstärker in die Rauschbetrachtung mit eingeht, steht ja außer Frage. Interessant ist jetzt, ob letztendlich nur der integrierte Verstärker relevant ist, oder das komplette System. @Werni Meintest du jetzt mich? @all Ich fasse meine zwei kurzen (aber offensichtlich nicht wirklich einfach zu beantwortenden) Fragen noch einmal zusammen: - Verschlechtert die Dämpfung einer passiven Antenne mit Fehlanpassung das SNR, da das Signal jetzt dichter am sowieso vorhandenen Rauschen liegt? (Vergleiche System ohne Fehlanpassung aber mit gleichem Rauschen.) - Wenn dies der Fall bei der Betrachtung einer Fehlanpassung sein sollte, ist dann die Kettenregel für die Rauschzahl anwendbar? Schönen Gruß guelcki
1. Ich habe mal nachgelesen, wie Fachbücher das Thema Rauschen von Antennen behandeln: Für die Antenne mit dem Strahlungswiderstand R_s (also üblicherweise vom Empfänger gesehen 50 Ohm) wird eine äquivalente Antennenrauschtemperatur T_a in Kelvin ermittelt. Dieses Rauschen stammt allerdings (überwiegend?) nicht von der Antenne, sondern setzt sich zusammen aus kosmischem, in der Troposhpäre entstandenem und terrestrischem Rauschen, das wiederum natürliche und "man-made" Ursachen hat. Typische Werte seien 0,2...2M Millionen K bei 10 MHz, 600...6000K bei 100 MHz und 3...7 K bei 1 GHz. Mit dem letzten Wert erklärt sich auch der von mir oben genannte Einfluß der Nebenzipfel einer Antenne die zum Himmel gerichtet ist. 2. Die ursprüngliche Frage war doch, ob man einer nicht optimal ausgerichteten Antenne einen negativen Gewinn, im Beispiel -6dB, zuweisen darf, der dann eine Verschlechterung der Gesamtrauschzahl bewirkt. Die Formeln für Streckendämpfung sind für isotrope Antennen auf beiden Seiten ausgelegt, daher darf ich den Antennengewinn auf beiden Seiten addieren. Wenn meine Antenne hier negativen Gewinn aufweist gegenüber dem Isotropstrahler, oder zumindest weniger Gewinn als bei optimaler Ausrichtung, dann ändern sich eben diese dB-Werte im Pegelplan, die Streckendämpfung incl. Antennengewinnen steigt. Genausogut könnte ich auch noch die Streckendämpfung in eine Gesamtrauschzahl hineinrechnen, die Kettenregel gilt sicher, aber was soll das?
@Christian zu 1. Das Rauschen der Antenne interessiert mich nicht so stark, es geht mir wirklich nur um die Dämpfung durch die Fehlanpassung! zu 2. Die ursprüngliche Frage bezog sich auf eine Antenne, die entweder nicht richtig ausgerichtet war ODER durch Fehlanpassung eine Dämpfung verursacht. Bei dem Punkt mit der Fehlausrichtung kann ich nachvollziehen, dass dieser nichts mit der Rauschbetrachtung zu tun hat, wie du weiter oben erläutert hast, deshalb spielt das für meine Überlegungen keine Rolle mehr. Mich interessiert wirklich nur noch der Punkt mit der Fehlanpassung, Linkbetrachtungen etc. spielen also auch keine Rolle mehr. @all Also, vielleicht erkenne ich die Lösung in euren Antworten bloß nicht, weil ich ein bißchen verbohrt bin, deshalb jetzt eine "einfache" ja / nein Frage: - man hat zwei Systeme - beide empfangen das gleiche Signal mit einer passiven Antenne (meinetwegen ein isotroper Rundstrahler) - bei beiden arbeitet der exakt gleiche Empfänger (gleiches NF, G) - bei einem System ist die passive Antenne optimal angepasst, das empfangene Signal wird mit 0 dB an den Empfänger übertragen - bei dem anderen System ist die passive Antenne nicht optimal angepasst, deshalb wird ein Teil der empfangenen Leistung vom Verstärker im Empfänger reflektiert, dass Signal wird beispielsweise um 6 dB gedämpft Meine Frage: Hat das Signal im System mit der fehlangepassten Antenne ein schlechteres SNR als im System mit der angepassten Antenne?
Hi, guelcki, Du: "Interessant ist jetzt, ob letztendlich nur der integrierte Verstärker relevant ist, oder das komplette System." Betrachtest Du das System bis zum Empfänger, dann erhältst Du das Systemrauschmaß mit der Kettenregel, wobei Du die Dämpfung vor dem ersten aktiven Element auf dessen Rauschmaß addierst. Die Besonderheit der aktiven Antenne nach Meinke-Gundlach-Flachenecker ist der Verzicht auf Leistungsanpassung zugunsten der Rauschanpassung. Peiler nutzen einen weiteren Vorteil der aktiven Antenne im Antennenarray - ihre geringe Kopplung untereinander. Ciao Wolfgang Horn
@Wolfgang >Betrachtest Du das System bis zum Empfänger, dann erhältst Du das >Systemrauschmaß mit der Kettenregel, wobei Du die Dämpfung vor dem >ersten aktiven Element auf dessen Rauschmaß addierst. Nur um das jetzt endgültig klarzustellen: Diese Dämpfung vor dem ersten aktiven Element muss keine ohmsche Dämpfung sein, sondern kann auch einzig und allein durch eine Fehlanpassung hervorgerufen werden?
Hi, guelcki, Du: "Diese Dämpfung vor dem ersten aktiven Element muss keine ohmsche Dämpfung sein, sondern kann auch einzig und allein durch eine Fehlanpassung hervorgerufen werden?" Jede Dämpfung. Alles, was den Pegel des Nutzsignals vor dem ersten Verstärker mindert. Noch die Lösung der Kombination von Antennen mit Verstärkern und Power-Combiner: Der Combiner addiert das Nutzsignal im Spannungsmaß, das unkorrelierte Rauschen aber im Leistungsmaß. Ciao Wolfgang Horn
Okay, vielen Dank für die Informationen! Schönen Gruß guelcki
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