Autor Thema: Reichweite und Sicherheit bei 2,4 GHz  (Gelesen 4408 mal)

SAMSON

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Reichweite und Sicherheit bei 2,4 GHz
« am: 14. Dezember 2013, 17:07:30 »
Reichweite und Sicherheit bei 2,4 GHz-Technik

Warum diese Erklärungen?

Bei 2,4GHz-Technik ist Vieles völlig neu, muß aber beachtet werden. Hier geht es nicht darum Angst zu machen, sondern die neu zu bedenkenden Effekte zu beschreiben. Es ist wie bei Allem, nur wer die Rahmenbedingungen kennt, in denen er sich bewegt, kann seine Situation richtig einschätzen und die richtigen Maßnahmen treffen, um erfolgreich seine 2,4GHz Fernsteuerung anzuwenden. Auch als Hilfe gedacht bei der Entscheidung 2,4GHz oder 35MHz.

Ausgangsbedingungen War es bei 35MHz Technik klar, dass ein direkter Zusammenhang zwischen Reichweite und Sicherheit auf der Übertragungsstrecke besteht, mehr Reichweite = mehr Sicherheitsreserve, so ist dies bei 2,4 GHz Technik nun nicht mehr im direkten Zusammenhang zu sehen.

Physikalische Grundsätze, die jetzt bei 2,4GHz zu beachten sind:

Grundsatz 1: Je höher die Frequenz, desto „lichtähnlicher“ die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen. Auswirkungen: Es muß direkte Sicht bestehen zwischen Sender– und Empfängerantenne, Gegenstände erzeugen Funk-Schatten

Grundsatz 2: Schlechtere Materialdurchdringung bei höheren Frequenzen Auswirkungen: Jegliche Gegenstände, egal welches Material, zwischen den beiden Antennen, verringern die nutzbare Reichweite

Dazu kommen bei 2,4 GHz : Größere Auswirkungen der Antennenpolarisation, Richtwirkungen werden stärker Größere Auswirkungen von sog. Signalschwund bei sich bewegenden Funkzielen

Was bedeutet dies in der tatsächlichen Praxis ?

1. Ganz erheblich wirkt sich aus, ob direkte Sichtverbindung zwischen Sender- und Empfängerantenne besteht. Am Rande der Reichweite wirken dämpfend schon normale Materialien wie Holz im Modell, vor allem aber elektrisch leitende Gegenstände wie Kabel, Anlenkungen, Akkus usw. erzeugen Funkschatten. Gegenstände wie Bäume oder Personene in der Übertragungsstrecke können eine sofortige Unterbrechung der Funkverbindung bewirken. Liegen kleinere Hügel in der Strecke ist die Verbindung in jedem Fall unterbrochen. Selbst wenn diese Hindernisse neben der direkten Sichtverbindung liegen, können diese schon starke Dämpfungen erzeugen, bis hin zur völligen Signal-Unterbrechung. Es gibt die sog. Fresnelzone, die im Prinzip aussagt, dass auch Gegenstände innerhalb der Fresnelzone, gar nicht unbedingt in der direkten Sichtverbindung, sondern in gewissen Abständen daneben, schon Signaldämpfungen bewirken können (reflektive Auslöschung).

2. Schlechte Materialdurchdringung bei höheren Frequenzen reduziert die nutzbare Reichweite.

3. Größere Auswirkungen der Antennenpolarisation, Richtwirkungen werden stärker. Unabhängig von der Frequenz ist Antennenpolarisation eine physikalische Tatsache. Jede Antenne hat eine Polarisation und damit eine Richtwirkung. Im Ergebnis gibt es dabei Positionen zwischen Sender- und Empfängerantenne, die optimalen Empfang (max. Reichweite) ergibt und Positionen zwischen den beiden Antenne, die KEINEN Empfang ermöglicht. Da unser Modell sich bewegt, ergeben sich ständige Schwankungen des Empfangssignals auf Grund der Lageveränderungen zwischen den beiden Antennen. Dieser Richtwirkungs-Effekt wird größer mit steigender Frequenz. Daher ist die Ausrichtung der

Antennen zueinander bei 2,4 GHz eminent wichtig und nur mit mind. 2 Antennen und Diversity-Technik lässt sich immer erreichen, dass eine der beiden Empfänger-Antennen optimal Ausrichtung zur Senderantenne hat.

4. Größere Auswirkungen von sog. Signalschwund bei sich bewegenden Funkzielen Signalschwund ergibt sich prinzipiell bei sich bewegenden Funkzielen. Die Auswirkungen sind die selben wie bei den Richtwirkungen ->, ständig schwankende Signalstärke am Empfängerantenneneingang. Schwund ist abhängig vom Untergrund, also Bodenbeschaffenheit in Verbindung mit Richtungen usw., und wirkt erdnah, also bis zu ca. 1000m Höhe. Leider ist Schwund nicht linear und tritt auch nicht immer gleich stark auf. Deshalb gilt auch hier, mindestens zwei Empfängerantennen und Diversity-Technik sind notwendig, um die Wirkungen zu reduzieren. Je höher die Frequenz, desto größer die Wirkungen von „Schwund“.

Die Punkte 2-5 reduzieren letztlich immer die Reichweite, die sich aus Punkt 1 ergibt. Diese Physik lässt sich leider nicht umgehen, daher ist es zur Erzielung einer optimalen, sicheren Reichweite notwendig, alle möglichen Gegenmaßnahmen zu treffen.

Fresnelzone Es gibt die sog. Fresnelzone, das ist ein gedachtes Elypsoid der Funkwellenausbreitung, benannt nach dem französischen Physiker Fresnel. Der Durchmesser der Fresnelzone ist bei höheren Frequenzen kleiner, die Auswirkungen von Sichthindernissen daher im Verhältnis größer (lichtähnliche Ausbreitung). Die Fresnelzone sagt im Prinzip aus, dass auch Gegenstände innerhalb der Fresnelzone, gar nicht unbedingt in der direkten Sichtverbindung, sondern in gewissen Abständen daneben, schon Signaldämpfungen bis hin zu Signalauslöschungen bewirken können (Reflektive Auslöschung). Wegen der schlechten Materialdurchdringung bei 2,4 GHz sind hier die Auswirkungen größer als bei 35MHz.
Klar, wie fliegen oben in der Luft, da spielen Einflüsse der Fresnelzone keine Rolle, aber was ist bei der Landung, möglicherweise eine ungewollte Außenlandung in größerer Entfernung? Bei 35 MHz kein Problem........ .

Wichtig zur Erhöhung der nutzbaren Reichweite ist daher, weit auseinander liegende Antennen (Sender und Empfänger) zu installieren. Dies minimiert die räumlichen Auswirkungen von Hindernissen in der Sichtlinie. Am Sender z.B. durch das Hirschkäfer-Prinzip, an den Empfängern durch weit auseinander liegend montierte Antennen.

Zum besseren Verständnis der Funkwellenausbreitung ein Vergleich (nicht unbedingt wissenschaftlich, aber verständlich):

35MHZ Nehmen wir einen Fluss als Funkstrecke, das Wasser (35MHz, elektromagnetische Funkwellen) ist das Übertragungsmedium mit dem unsere Steuerinformation übertragen wird, welche von Punkt A zu Punkt B gelangen soll. Ohne Hindernis geht das natürlich ohne jegliche Probleme. Jetzt stellen wir ein Hindernis, eine Wand, nicht so breit wie der Fluss, in die Fluten, genau auf der Sichtlinie. Kommt dann noch Wasser, unsere Steuerinformation, an Punkt A an? Jeder weiß, ja, natürlich. Wasser umfliesst das (Sicht) Hindernis und fliesst weiter bis zum Ziel. So kann man sich das bei 35MHz vorstellen.

2,4GHz Jetzt machen wir das selbe, aber nicht in einem Fluss mit Wasser(35MHz). Wir nehmen als Übertragungsmedium für unsere Steuerbewegung einfach Licht (2,4GHz, elektromagnetische Funkwellen hoher Frequenz). Wir stellen bei Punkt A eine Lichtquelle auf und wollen, dass das Licht dieser Lichtquelle an Punkt B ankommt. Ohne Hindernis geht das auch hier ganz problemlos und vor allem sehr weit (Eine Kerze ist bei völliger Dunkelheit bis zu 10km weit zu sehen).

Nun stellen wir wieder unsere Wand in die Sichtlinie. Das ergibt einen Licht-Schatten, in dem unser Funkziel, der Punkt B liegt. Wie jeder weiß, kommt damit kein Licht, und damit keine Steuerinformation an Punkt B an. So muß man sich das bei der Frequenz 2,4GHz vorstellen. Hinweis: In Entfernungen zwischen 200-400m muß nicht unbedingt direkte Sichtverbindung herrschen, leider lassen sich diese Bedingungen aber nicht genau definieren, sie können stark variieren.

Wichtig ist ist aus all diesen Gründen nicht die ENDREICHWEITE eines RC-Systems, sondern die nutzbare Reichweite

Nutzbare Reichweite Nutzbare Reichweite, unabhängig von der Frequenz, definiert sich ja unstrittig durch die erzielbare Reichweite unter den schlechtest möglichen Bedingungen während eines Fluges........

Es nützt nichts, wenn 90% der Betriebszeit 5 km Reichweite anliegen, aber in 10% der Zeit nur 100Meter, z.B. durch Richtwirkungen und/oder Schwund oder Unterbrechung der Sichtverbindung........

Ab wann spielen daher Einbauprobleme durch Kabel, bordinterne Störquellen, schlechte Antennenlage, Fresnelzone, schlechte Sichtverbindung, hohe Funkumweltbelastung von außen, usw. keine Rolle mehr?

Bis zu welcher Entfernung, auch unter den schlechtest möglichen Bedingungen, ist ein Modell immer sicher zu betreiben ?

Diese Fragen muß ein RC-System beantworten, die maximale Reichweite ist nicht von Bedeutung.

Man kann nun als Hersteller nicht jedes Modell nachstellen auf einer Teststrecke, wir haben deshalb für unsere Systeme folgenden Aufbau gewählt, der bestimmte Probleme definiert berücksichtigt: In 10m Abstand vom Sender steht eine Person in der Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger. In 10m Abstand vom Empfänger steht in der Sichtlinie eine weitere Person. Damit muss unser System noch in 1000m Entfernung am Boden arbeiten und in 2000m noch Steuerbefehle ermöglichen.

Bemerkung am Rande: Die parallel betriebenen 35MHz Diversity-System haben unter allen diesen Bedingungen auch immer einwandfrei gearbeitet.
Es reißt immer die letzte Schraube ab !
Mein Zylinder rasselt nicht. Nein, er spielt mir das Lied vom Tod !!