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Antennen sind die Augen und Ohren von Leckmesssystemen

Trotz beeindruckender Fortschritte in der Rechenleistung der Planungs- und Simulationssysteme haftet der Antennenentwicklung immer noch etwas Mystisches an. Die besten Antennenentwickler sind häufig brillante Techniker, aber die meisten werden auch zugeben, dass für eine wirklich gute Antenne vor allem Erfahrung und häufig auch etwas Glück benötigt werden. Dieser Blog geht kurz auf die Grundlagen der Antennentheorie ein und konzentriert sich dann auf die Auswirkungen der Antennenleistung auf das effiziente und effektive Erkennen von Signalabstrahlungen aus Kabelnetzen.

Entwurf und Einsatzbereich von Antennen

Der Hauptzweck einer Antenne besteht darin, elektrische Signale in Funkwellen (Sender) und umgekehrt (Empfänger) umzuwandeln. Die Effektivität einer Antenne wird von vielen Faktoren beeinflusst. Dazu zählen unter anderem der verwendete Werkstoff, die Form, die Größe und die Geometrie. Die Bauform einer Antenne ist von ihrem vorgesehenen Einsatzbereich abhängig:

  • Omnidirektional oder unidirektional
  • Breitband oder Schmalband
  • Stationär oder portabel/mobil
  • Hoher oder geringer Gewinn
  • Dimension (Größe, Gewicht)

Antennen-Bauformen

Die Palette der Bauformen reicht von simplen Peitschen bis zu komplexen Antennen für den Mobil- und Richtfunk. Untenstehend sind einige der am weitesten verbreiteten Antennentypen mit ihren wichtigsten Eigenschaften aufgeführt:

  • Halbwellendipol: Ideal zur Lokalisierung von VHF-Leckstellen im Außeneinsatz
  • Polarisierte Antennen helfen, die Art der Leckstelle zu bestimmen.
  • Mit Hilfe der Polarität ist es möglich, die Störquelle auf die vertikale oder horizontale Polarisationsebene einzugrenzen.
  • Schleifenantenne: Wirkt wie eine Dipolantenne, jedoch ohne Polarisationseigenschaften.
  • Sie gibt die Richtung an, aber nicht die Polarisationsebene.
  • Monopolantenne oder Viertelwellenstrahler: Gut für Fahrzeuge geeignet, aber kein Breitband und keine Richtwirkung.
  • 360°-Strahlungsmuster ideal für den Fahrzeugeinsatz.
  • Stummelantenne: Kompakte, langlebige Antenne für den allgemeinen Feldeinsatz. Kein Breitband, keine Richtwirkung.
  • Yagi-Antenne: Ideal zur Lokalisierung von UHF-Leckstellen im Außeneinsatz. Häufig aber sperrig.
  • Logarithmisch-periodische Dipolantenne: Ideal zur Lokalisierung eines breiten Frequenzspektrums im Außeneinsatz. Besteht aus einer Anordnung aus mehreren Dipolantennen mit durchaus praktischen Abmessungen.
  • Breitbandantenne, die es erlaubt, die Richtung und den Gewinn über einen breiten Frequenzbereich zu ermitteln.
  • Flossenantenne: Breitband-Agilität mit mehr Gewinn als eine Standard-Peitschenantenne.
  • Nahfeldantenne: Ideal zum Lokalisieren von Leckstellen in dicht belegten Verteilerschränken. Nicht frequenzspezifisch.

Antennengröße

Die Größe einer Antenne verhält sich umgekehrt proportional zur Frequenz der Leckstelle, die sie auffinden soll. Auch der Antennentyp legt fest, ob sich eine Viertel-, Halb- oder Ganzwellenantenne als effizientester Sender/Empfänger anbietet. In vielen Fällen ist eine Ganzwellenantenne jedoch nicht zu empfehlen. Das lässt sich gut am Beispiel eines Dipols belegen: Während ein Halbwellendipol ein sehr guter Sender ist, hebt sich ein Ganzwellendipol selbst auf und ist daher ein sehr ineffizienter Sender.

Weiter unten folgt eine allgemeine Formel zum Berechnen der optimalen Länge einer Halbwellen-Dipolantenne in Abhängigkeit von der Frequenz. Für die Spezialisten sei ergänzt, dass diese Formel natürlich nicht die Endeffekte berücksichtigt, sondern nur eine Approximation darstellt, die aber eine grobe Aussage ermöglicht.

  • Allgemeine Formel: Länge des Halbwellendipols (m) = (150*A)/Freq (Hz), wobei für A für grobe Berechnungen der Wert 1 angenommen werden kann.
  • Beispiel: 150/900 MHz = 0,166 m. Für eine Leckstelle bei 900 MHz wäre also eine Antenne mit einer Länge von 16,6 cm ideal.
  • Beispiel: 150/120 MHz = 1,25 m. Diese Länge wäre sicherlich die Grenze dessen, was im Außendienst noch zu bewältigen wäre.

Warum ist das so wichtig?

Wenn man weiß, in welchem Verhältnis die Frequenz zur Antennenlänge steht, kann man besser verstehen, wo bzw. wie ein Signal durch eine Leckstelle aus dem Kabelnetz entweicht. Bei der Suche nach einer hochfrequenten Austrittstelle ist die „Antenne“, d. h. der Defekt in der Abschirmung, der diese Störabstrahlung ermöglicht, wahrscheinlich nur klein. Beispiele hierfür wären die Länge eines Radialrisses in einem 1/2-Zoll-Kabel oder der Umfang eines lockeren Steckverbinders im Kabelnetz. Wenn man nach niedrigeren Frequenzen sucht, müsste man dann nach längeren „Antennen“ Ausschau halten.

Auswirkung der Antenne auf die Effektivität eines Leckmesssystems

Bei Messfahrten im Kabelnetz ist die Empfindlichkeit weitaus wichtiger als die Richtcharakteristik, denn die eigentliche Ortung erfolgt über die Quadrangulation mehrerer Messwerte. Seit der Einführung von vollständig frequenzagilen Leckage-Detektoren auf dem Markt ist es zudem wichtig, dass die Antenne ein möglichst breites Frequenzspektrum abdeckt. Schließlich nützt es dem Netzbetreiber wenig, wenn er zwar mit Detektoren arbeitet, deren Überwachungsfrequenz sich mit wenigen Tastenbetätigungen ändern lässt, er aber an jedem Fahrzeug seiner Flotte die Antenne auswechseln muss, um von dieser Funktion zu profitieren.

Wenn man zu Fuß (Walkout) unterwegs ist, spielt die Richtwirkung die wichtigste Rolle, um die Störquelle möglichst schnell zu finden. Die Empfindlichkeit muss so groß sein, dass sie ausreicht, um auch entfernte Leckstellen zu erkennen. Wenn die Antenne ein breites Frequenzband abdeckt und auch noch im Außeneinsatz abstimmbar ist, benötigt man weniger Antennen. In diesem Anwendungsfall brillieren Dipol-, Yagi- oder logarithmisch-periodische Antennen. Das gilt insbesondere, wenn sie speziell für den Einsatz in Kabelnetzen entwickelt wurden, d. h. wenn sie klein und robust sind sowie auch in kleinen Fahrzeugen noch hinter den Sitz passen.

Zusammenfassung

Die Entwicklung von Antennen ist weder eine einfach noch eine exakte Wissenschaft. Richtig ausgeführt, können die Ergebnisse aber beeindruckend sein. Die besten Leckmesssysteme für Kabelnetze zeichnen sich durch ein Antennen-Portfolio aus, das:

  • auf Grundlage einer das gesamte Band umfassenden Frequenzagilität des Detektors eine maximale Flexibilität des Kanalplans ermöglicht.
  • mit Hilfe spezieller Walkout-Antennen, die eine herausragende Richtcharakteristik bieten, eine schnellstmögliche Ortung und Behebung der Störstelle erlaubt.
  • durch einen hohen Antennengewinn auch Leckstellen erkennt, die leistungsschwächere Systeme übersehen.

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