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
