Feldintensitätseinheiten

„Was ist der Unterschied zwischen dBu, dBm, dBuV und anderen Einheiten? Wenn Ingenieure, Techniker und Geräteverkäufer über Einheiten für Antennengewinn und Feldstärke sprechen, herrscht große Verwirrung. Menschen in verschiedenen Disziplinen der Funk- und Telekommunikationsbranche sehenIch spreche verschiedene Sprachen und die meisten Menschen sind nicht mehrsprachig. ----- FMUSER" 

#Einheiten des Antennengewinns
Während die Feldstärke an jedem Ort unabhängig davon ist Antennengewinn, empfangene Spannung am Empfänger ist nicht. Betrachten wir daher zunächst den Antennengewinn

Der Gewinn kann entweder als Leistungsmultiplikator oder in dB ausgedrückt werden. Der in dB angegebene Antennengewinn bezieht sich entweder auf einen isotropen Dipol oder einen Halbwellendipol. In der Mikrowellenindustrie hat sich allgemein die Konvention etabliert, den Antennengewinn in dBi (bezogen auf isotrop) anzugeben. Die Landmobilfunkindustrie hat den Antennengewinn fast überall in dBd angegeben (bezogen auf einen Halbwellendipol und nicht auf isotrop). 

Siehe auch: >> Was ist der Unterschied zwischen "dB", "dBm" und "dBi"?  

Wenn ein Hersteller einen Gewinn als angibt dB, können Sie im Allgemeinen davon ausgehen, dass die genannte Verstärkung dBd beträgt. Hersteller von Rundfunkantennen beziehen sich üblicherweise auf einen Multiplikatorgewinn, bei dem die Antenneneingangsleistung mit diesem Gewinn multipliziert wird, um die effektive Strahlungsleistung zu erhalten.

Die einfachste Antenne ist ein isotroper Strahler. Dabei handelt es sich um eine theoretische Antenne, die in alle Richtungen das gleiche Energieniveau abstrahlt, wenn die Antenne mit Strom versorgt wird. Auch wenn dieser Antennentyp eigentlich nicht konstruiert werden kann, bietet die Verwendung des Konzepts einen einheitlichen Standard, anhand dessen die Leistung aller hergestellten Antennen kalibriert und verglichen werden kann.

Abbildung 1: Halbwellendipol vs. isotrope Antenne

Eine leicht zu bauende Antenne ist ein Halbwellendipol. Eine halbe Wellenlänge Dipolantenne hat einen um 2.15 dB größeren Gewinn als eine isotrope Antenne. Der Dipol konzentriert die Energie in bestimmte Richtungen, sodass die Strahlung in diese Richtungen größer ist als die Strahlung einer isotropen Quelle mit derselben Eingangsleistung.

Siehe auch: >> Ist mehr Antennengewinn besser?

Daher ist der Gewinn einer Antenne bezogen auf einen isotropen Strahler der Gewinn bezogen auf einen Halbwellendipol plus 2.15 dB:

Wie in Abbildung 1 (und Abbildung 2) dargestellt, kann man davon ausgehen, dass eine Richtantenne (einschließlich eines Halbwellendipols) die verfügbare, in die Antenne eingespeiste Energie konzentriert und die von der Antenne abgestrahlte Energie in die gewünschte Richtung bündelt. Die in die gewünschte(n) Richtung(en) abgestrahlte Energie wird erhöht, indem die in andere Richtung(en) abgestrahlte Energie verringert wird.

Beispielsweise hat ein kollineares Array aus vier Dipolantennen typischerweise einen Gewinn von 6 dBd. Dieselbe Antenne hat einen Gewinn von 8.15 dBi (bezogen auf die Isotropie).

Abbildung 2: Gewinn in dBd vs. dBi

Siehe auch: >> Tipps zur Antennengewinnmessung 

Richtantennenmuster werden manchmal als Gewinn in dB über einem Halbwellendipol aufgetragen. Andere Muster werden als relative Feldspannung angezeigt. Diese sind direkt übertragbar, solange man den absoluten Gewinn in dBd oder dBi der Hauptkeule der Antenne kennt. Die Gleichung lautet wie folgt:


wo:
● G ist die Verstärkung in dB bei einem bestimmten Azimut

● Gm ist die maximale Leistungsverstärkung in dB bezogen auf einen Halbwellendipol

● Rv ist die relative Feldspannung für den jeweiligen Azimut

●Um den Verstärkungswert (in dB) für einen bestimmten Azimut in einen relativen Feldwert umzuwandeln, verwenden Sie die folgende Gleichung:


Wenn die maximale effektive Strahlungsleistung und die relative Feldspannung in einem bestimmten Azimut bekannt sind, wird die effektive Strahlungsleistung in diesem bestimmten Azimut anhand der folgenden Gleichung berechnet:

wo:
● Rp ist die effektive Strahlungsleistung in einem bestimmten Azimut (in Watt, kW usw.)

● P ist die effektive Strahlungsleistung in der Hauptkeule (max) in der horizontalen Ebene (in Watt, kW usw.)

Siehe auch:>> Grundlegende Antennentheorie: dBi, dB, dBm dB (mW)

Einheiten der Feldintensität
Auch im Vokabular für die Feldstärke (auch Feldstärke genannt) herrscht große Verwirrung. Werte werden üblicherweise in ausgedrückt dBu, dBµV und dBm. Jede Einheit hat sowohl Vorzüge als auch gemeinsame Verwendung in bestimmten Disziplinen in der Funkkommunikationsindustrie. Die weit verbreitete Verwirrung darüber, wie sie zueinander in Beziehung stehen, führt jedoch sowohl zu Frustration als auch zu Missverständnissen über das Systemdesign und die tatsächliche Leistung. Die folgenden Begriffe werden ausführlich besprochen.

● dBu ist E (elektrische Feldstärke) immer in Dezibel über einem Mikrovolt/Meter (dBµV/m)

● dBµV (unter Verwendung des griechischen Buchstabens µ [„mu“] anstelle von u) ist die in dB ausgedrückte Spannung über einem Mikrovolt an einer bestimmten Lastimpedanz; Im Landmobil- und Rundfunkbereich beträgt dieser üblicherweise 50 Ohm.

● dBm ist ein Leistungspegel, ausgedrückt in dB über einem Milliwatt

#Elektrische Feldstärke
Die Einheit der elektrischen Feldstärke dBu ist die Einheit, die von der Federal Communications Commission häufig verwendet wird, wenn es um die Feldstärke geht. Die wahre elektrische Feldstärke wird immer in einem relativen Wert von Volt/Meter ausgedrückt – niemals in Volt oder Milliwatt. Die elektrische Feldstärke ist unabhängig von der Frequenz, dem Empfangsantennengewinn und der Empfangsantenne Impedanz und empfangen Übertragung Leitungsverlust. Daher kann dieses Maß als absolutes Maß zur Beschreibung von Versorgungsgebieten und zum Vergleich verschiedener Sendeeinrichtungen verwendet werden, unabhängig von den vielen Variablen, die durch unterschiedliche Empfängerkonfigurationen eingeführt werden.

Wenn auf einem Pfad eine freie Sichtlinie besteht und keine Hindernisse im Umkreis von 0.5 der ersten Fresnel-Zone liegen, was zu einer zusätzlichen Dämpfung führen würde, nähert sich die empfangene elektrische Feldstärke der des freien Raums an und kann anhand der folgenden Gleichung berechnet werden:

wo:
● ERP wird in dB über 1 kW ausgedrückt

● d ist die in Kilometern ausgedrückte Entfernung

Siehe auch: >> Grundlagen der Antennenverstärkung verstehen

#Empfangene Spannung und Leistung
Obwohl Berechnungen Da die Stärke des elektrischen Feldes unabhängig von den oben erwähnten Eigenschaften des Empfängers ist, müssen Vorhersagen über die Spannung und die empfangene Leistung, die dem Eingang eines Empfängers zugeführt werden, jeden dieser Faktoren sorgfältig berücksichtigen. Eine Korrelation zwischen der elektrischen Feldstärke und der am Empfängereingang angelegten Spannung ist nur möglich, wenn alle oben aufgeführten Informationen bekannt sind und beim Systemdesign berücksichtigt werden.

Wenn genau die gleichen Bedingungen (Pfad, Frequenz, effektive Strahlungsleistung usw.) auf identische Umstände angewendet werden, ermöglichen die folgenden Gleichungen dem Systementwickler, mit völliger Sicherheit zwischen den verschiedenen Systemen zu übersetzen.

Die Feldstärke als Funktion der empfangenen Spannung, des Empfangsantennengewinns und der Frequenz bei Anwendung an einer Antenne mit einer Impedanz von 50 Ohm kann ausgedrückt werden als:


Für die empfangene Spannung aufgelöst ergibt sich folgende Gleichung:

Für Leistungs- und Spannungsberechnungen bei einer 50-Ohm-Last:

Ersetzen Sie die Spannung aus Gl. durch den Feldwert. 7:

Beachten Sie, dass die allgemeinere Gleichung für andere Impedanzwerte (Z) als 50 Ω lautet:

Und indem wir die Spannung aus Gl. durch den Feldwert ersetzen. 7:

wo:
● Gr ist der isotrope Gewinn der Empfangsantenne

● Z ist die Systemimpedanz in Ohm

Wenn eine „Feldstärkekontur“ aufgezeichnet und in dBm oder Mikrovolt (dBµV) angegeben wird, ist es wichtig, diese Werte für Frequenz und Antennengewinn zu kennen. Der Benutzer muss verstehen, dass solche „Konturen“ nur für eine Frequenz und den jeweiligen Empfangsantennengewinn gültig sind, der für die Vorhersage verwendet wird. Es gibt auch einen festen Verlust in der Übertragungsleitung der Empfangsantenne – oft wird davon ausgegangen, dass er verlustfrei ist.

Aus diesen Gründen sind solche „Konturen“ als Abdeckungsvorhersagen nicht eindeutig, wenn nicht alle Empfangsantennengewinne und Übertragungsleitungsverluste für alle Empfänger identisch sind. Um den Feldstärkepegel zu bestimmen, der zum angemessenen Empfang eines gesendeten Signals erforderlich ist, verwenden Sie die obige Gleichung 6 und berücksichtigen dabei die Frequenz, den Empfangsantennengewinn und den erforderlichen Empfängerspannungspegel für den gewünschten Geräuschpegel im Empfänger.

Siehe auch: >> Was ist VSWR: Spannungs-Stehwellenverhältnis 

Diese Vorhersagen gelten für die Spannung an den Antennenanschlüssen. Die tatsächlichen Spannungs- und Leistungspegel am Empfängereingang müssen den zusätzlichen Verlust in der empfangenden Übertragungsleitung berücksichtigen. Dieser Signalverlust ist besonders kritisch bei hohen Frequenzen und langen Kabeln.

Abbildung 3: Elektrisches Feld und Refempfangene Spannung und Leistung

Abbildung 3 fasst die Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke und der Spannung und Leistung an den Eingangsanschlüssen des Empfängers zusammen.

Die elektrische Feldstärke (in dBu) ist nur eine Funktion von:

● Effektive Strahlungsleistung des Senders.

● Entfernung vom Sender.

● Schäden durch Geländehindernisse.

Da die elektrische Feldstärke unabhängig von Empfängereigenschaften ist, ist sie ein nützlicher Standard für die Berechnung von Versorgungsgebieten.

Das elektrische Feld induziert eine Spannung in der Antenne und überträgt Energie in die Antenne. Die Spannung (dBµV) an den Anschlüssen der Antenne ist eine Funktion des Antennengewinns für die jeweilige betrachtete Frequenz. Die an den Antennenanschlüssen verfügbare Leistung (dBm) ist auch eine Funktion der Antennenimpedanz (normalerweise 50 Ohm).

Die Übertragungsleitung (normalerweise Koaxialkabel oder Hohlleiter) verbindet die Antennenanschlüsse mit den Eingangsanschlüssen des Empfängers. Die Spannung und Leistung an den Eingangsanschlüssen des Empfängers werden durch den Verlust in dieser Übertragungsleitung reduziert. Übertragungsleitungsverluste hängen von der Größe und Art der Übertragungsleitung sowie der Betriebsfrequenz ab. Darüber hinaus wirken sich andere Verluste auf die an die Eingangsanschlüsse des Empfängers übertragene Leistung aus. Weitere Informationen zu Verlusten in Fahrzeugen, Verlusten aufgrund von Körpernähe mit Handempfängern usw. finden Sie unter „Typische Verlustwerte“ im Abschnitt „Technische Referenz“.

Siehe auch: >> Was ist der Unterschied zwischen AM und FM? 

#Fazit
Die offensichtliche Schlussfolgerung aus diesen Informationen ist, dass Empfangssysteme mit unterschiedlichen Antennengewinnen für einen ordnungsgemäßen Betrieb deutlich unterschiedliche Werte der elektrischen Feldstärke benötigen. Eine Versorgungsgebietskontur (in dBµV oder dBm), die für einen mobilen Empfänger mit einer fest montierten Dachantenne mit hoher Verstärkung berechnet wurde, kann für Benutzer mit tragbaren Antennengeräten mit geringer Verstärkung irreführend sein.

Basierend auf der tatsächlich vorgeschlagenen Ausrüstung und den oben genannten Gleichungen kann der Systementwickler nun die tatsächliche Feldstärke berechnen, die für ein bestimmtes Empfangssystem erforderlich ist. Wenn Sie die Empfänger in Bereichen betreiben, in denen die Feldstärke die Auslegungswerte der Geräte erreicht oder überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass eine zufriedenstellende Systemleistung erzielt wird. Im technischen Referenzabschnitt „Field Intensity Grids“ wird die Umrechnung elektrischer Feldintensitätswerte (berechnet in dBu mit TAP) in andere Einheiten zur direkten Darstellung in dBm oder dBµV erläutert.

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