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Externe Antenne

Einleitung

Beim Einsatz einer Wetterstation ist die maximale Distanz zwischen den Einheiten manchmal limitierend auf die Anwendung. Die maximale Distanz wird durch verschiedene Faktoren wie Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit und Antennengewinn gegeben. Die ersten zwei Parameter kann man nicht so einfach verändern, den Antennengewinn kann man aber durch den Einsatz externer Antennen stark beeinflussen.

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Antennengewinn

Die THS und die ISS haben zur Übertragung der Daten eine Antenne ins Gehäuse integriert (s. Abbildung unten). Dasselbe gilt für die Konsole, die die Daten von den beiden Einheiten empfängt. Bei den Antennen handelt es sich um omnidirektionale Stabantennen, die sich um eine horizontale Achse um ca. 180Grad drehen lassen. Omnidirektional bedeutend, das die Antennen in einer Ebene senkrecht zum Stab in alle Richtungen einen gleich grossen Antennengewinn aufweist. Die eingesetzten Stabantennen haben in der Verlängerung des Stabes einen sehr schlechten Empfang, weswegen man die Antennen der verschiedenen Einheiten immer so ausrichten sollte, das sie im Raum parallel zueinander ausgerichtet sind. Befinden sich die Konsole und die ISS z.B. auf der gleichen Ebene, werden beide Antennen senkrecht ausgerichtete. Steht die Konsole im Haus und die ISS auf dem Dach senkrecht darüber, so werden die beiden Antennen horizontal also liegend ausgerichtet.

Der Antennengewinn wird dabei immer relativ zu einem Isotropenstrahler oder einem Dipol angegeben. Ein Isotropenstrahler ist ein idealer Strahler der in alle Richtungen den gleichen Gewinn aufweist, also eine Kugel-Charakteristik aufweist. Eine Stabantenne wie sie bei der Vantage Pro 2 verwendet wird weist typischerweise einen Gewinn von 3dBi auf, d.h. das maximal die doppelte Leistung relativ zu einem Isotropenstrahler empfangen bzw. gesendet werden kann.

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Reichweite

Alle Reichweitenangeben der Station beziehen sich auf diesen Antennengewinn. Will man die Reichweite der Station erhöhen, muss man entweder einen Repeater verwenden, der das Signal verstärkt, oder man verwendet andere Antennen an den Stationen. Die Funkverbindung kann auch durch Objekte wie Wände und Bäume gestört werden. Auch hier hilft die Verwendung von Antennen mit höherem Gewinn.

Die Antenne ist eine vollsymmetrisches Übertragungseinheit, d.h. der Antennengewinn ist zum Senden und zum Empfangen der gleiche, solange sich beides im gleichen Frequenzbereich abspielt. Es ist deswegen auch egal, ob man nun im Falle der VantagePro2 die Sendeantenne an der THS oder an der ISS austauscht oder die Empfangsantenne an der Konsole. Man muss aber bedenken, dass eine Richtantenne zwar in einer Richtung einen höheren Gewinn aufweist, in allen anderen Richtungen aber den Empfang verschlechtert (s. Abbildung unten). Sind verschiedene Stationen im Einsatz die alle zur Konsole funken und befinden sich diese Stationen an unterschiedlichen Orten, muss die Konsole aus verschiedenen Richtungen empfangen, weswegen hier der Einsatz einer Richtungsunabhängigen Antennen Sinn macht. Die Stationen hingegen müssen nur zu einer Station senden (ausser man verwendet mehrere Konsolen), man kann hier also gut eine Richtantennen einsetzten.

antennendiagramm

Empfangsleistung

Weder die THs noch die ISS haben aber einen Anschluss für eine externe Antenne. Diesen muss man sch selber basteln, was aber keine Hexerei ist. Bei meiner Station hatte ich vor allem von der THS relativ schlechten Empfang, da ein Baum und zwei Wände im Radiopfand liegen, die alle das Signal abschwächen. Dabei lässt sich leicht feststellen, dass der Baum im Sommer durch den erhöhten Wassergehalt stärker dämpft. Die Empfangsleistung kann man bei der Vantage Pro2Plus relativ einfach überprüfen, indem man die Betriebsart in den Diagnostic Mode wechselt (Gleichzeitig Temp und Hum drücken). Danach wechselt man auf den zweiten Bildschirm (2nd und Chill drücken). Hier kann man oben rechts (s. Punkt 4 in der Grafik unten) die Empfangsleistung ablesen. Der Bereich geht von 20…60, wobei 20 schlechter und 60 sehr guter Empfang bedeutet. Mit den Pfeiltasten kann man auf die verschiedenen Stationen wechseln. Die aktuelle Station wird unten rechts angezeigt (s. Grafik unten). Die Stationen senden alle 2..3 Sekunden. Am besten man betrachtet die Werte über eine Zeit land und wertet diese aus. Bei meiner THS war das Problem, dass der Empfangspegel bei ca. 25..29 lag, aber jede vierte Übertragung nicht empfangen werden konnte (--- im Display). Die Grafik unten zeigt, wie sich dieser Empfangspegel schon mit einer Antenne mit relativ kleinem Antennengewinn von 5dBi verbessern liess. Die Ausfälle konnten stark reduziert werden (einer von ca. 40 Übertragungen).

display
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Extrene Antenne

Die integrierte Antenne ist über ein Koaxialkabel direkt mit der Platine verbunden. Das Koaxialkabel ist mithilfe einer Kabelführung geerdet, der Innenleiter wurde direkt in ein entsprechendes Platinenloch gelötet. Will man alternativ auch die interne Antenne verwenden, z.B. wenn die Station später an einem anderen Ort eingesetzt werden soll, lötet man dieses Kabel am einfachsten ab und montiert darauf einen Stecker. Ich habe einen relativ kompakten SMA Stecker gewählt. Auf die Platine lötet man ein neues Kabel (man kann die Kabeleinführung zur Erdung des Kabels wieder verwenden) und montiert an dieses eine entsprechende Buchse (s. Abbildung unten). Nun kann man eine externe Antenne mit einem SMA Stecker (in meinem Fall) anschliessen. Die Steckermontage kann man theoretisch selbst Bewerkstelligen, allerdings ist zu beachten das der richtige Stecker für das Kabel ausgewählt wird, weil jeder Koaxialstecker nur einen bestimmten Bereich von Kabeldurchmessern unterstützt. Ich hatte Glück und mein Kollege Gerhard Koch hat diese Aufgabe mit Leichtigkeit erledigt und gleich noch die Stecker montiert: Vielen Dank.

lötanschluss

Die externe Antenne muss den Frequenzbereich der Station unterstützen. Die Europäische Version der VantagePro2 sendet im Frequenzbereich 868,0-868,6, die Amerikanische Version (in Europa nicht zugelassen) im Frequenzbereich 902-928MHz. Das Europäische Band liegt also knapp unterhalb des GSM Bereiches (Mobilfunk) und oberhalb der Fernsehfrequenzen. Eine Yagi Fernsehantenne wird z.B. bis 868MHz spezifiziert sein, aber sicherlich auch noch bis 868,6MHz zu verwenden sein. Allerdings ist der Antennengewinn zu den Bandkanten hin immer leicht abgeschwächt, was aber in den meisten Anwendungen keine rolle spielt. Die Antenne muss ausserdem die gleiche Polarisation wie die integrierte Antenne Verwenden. Eine Stabantenne sendet vertikal polarisierte Strahlung aus (Polarisation parallel zum Stab), man verwendet deshalb ebenfalls eine vertikal polarisierte Antenne (Achtung: manche Antennen sind zirkular polarisiert!).

Verwendet man eine Antenne mit einem Gewinn der um 6dB (also viermal grösser) höher ist als die integrierte Antenne, kann man im Freirau (also ohne Hindernisse) ca. die doppelte Distanz überbrücken. Die Integrierte Antenne hat ja ca. 3dBi, man muss also eine Antenne mit ca. 9dBi verwenden um die Doppelte Distanz zu überbrücken. Mit dem Diagnostic Mode kann man nun leicht überprüfen, welche Verbesserungen die externe Antenne gebracht hat. Davis bietet auch Antennen an, z.B. die Yagi Antenne 7660. aber Achtung: Diese Antenne ist für den Amerikanischen Frequenzbereich optimiert (902-928MHz).

stecker und kabel

Überprüfung der Sendestation

Wer Zugang zu einem Spektrumanalyser hat, kann zusätzlich den Betrieb der Station überprüfen. Dazu schliesst man ganz einfach den Spektrumanalyser an den externen Antennenanschluss. Die Sendeleistung ist im Datenblatt mit 8mW angegeben. In der Mikrowellentechnik wird meist in Dezibel relativ zu einem Milliwatt, dBm, gemessen. 1mW entspricht 0dBm, 8mW dementsprechend 9dBm. Die Messung ist sehr nahe an diesem Wert, nämlich bei 8dBm (s. Abbildung unten). Der Spektrumanalyser den ich zur Hand hatte wurde schon eine Weile nicht kalibriert, weswegen die gemessene Frequenz von ca. 870MHz mit etwas Vorsicht zu geniessen ist.

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Die Daten werden auf dem Träger mit FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) moduliert, also mit einem Bandspreizverfahren. Wie man auf dem nächsten Bild sieht wird ca. 400kHz Bandbreite belegt (die abgebildete Bandbreite ist 2MHz, eine Einheit ist also 200kHz. Das Signal bewegt sich also gut innerhalb der von ETSI freigegebenen 600kHz.

messung 02

Interessant ist letztlich noch die Analyse der Sende-Taktrate. Für die THS wird laut Datenblatt ein Updateintervall von 10 Sekunden angegeben. Wie man auf der unteren Abbildung erkennen kann (das ist nun eine Zeit-Darstellung) wird alle 2.6 Sekunden ein Datenpaket gesendet. Sehr wahrscheinlich werden die Datenpakete mehrmals übertrage, um einen schlechten Empfang eines Paketes auszugleichen. Dies würde auch erklären warum ich trotz des Ausfalls jedes fünften Paketes in keine Messausfälle hatte.

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--- Der Autor und Publisher dieser Seite ist Bernd Margotte ---