fertig Was bedeutet X dBi Antennengewinn eigentlich?

Dieses Thema im Forum "FAQ Sammlung" wurde erstellt von Moderator, 11. August 2012.

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  1. Moderator

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    Wenn man nach einer (LTE-)Antenne Ausschau hält wird man stets mit einem Wert konfrontiert, nämlich dB bzw. dBi. Doch was sagt dieser Wert eigentlich aus und was wird damit gemessen?
    Wieviel dBi "sollten" es sein für optimalen Empfang sein? Im Prinzip ist die Thematik alles andere als leicht verständlich. Thoma-b hat es hingegen geschafft, mit der folgenden Erklärung das Grundkonzept und Prinzip anschaulich zu erklären. Was gar nicht so einfach ist ohne Formeln :)

    Grundsätzlich gilt bei der Einheit dB (oder dBi) die Regel: Eine Erhöhung des Pegels um 3 dB entspricht einer Leistungsverdoppelung, z.B.:
    30 dBm (= 1 Watt) + 3 dB = 33 dBm (= 2 Watt)

    Das gilt dann auch umgekehrt, eine Reduzierung des Pegels um 3 dB entspricht einer Leistungshalbierung:
    33 dBm (= 2 Watt) - 3 dB = 30 dBm (= 1 Watt)

    Soweit zu den Grundlagen, nun kommen wir zum Eingemachten.

    Die Ausgangsleistung eines LTE-Endgerätes darf maximal bei +23 dBm (0,2 Watt) liegen. Diese 23 dBm liegen als absolute Leistung an den Antennen-Anschlussbuchsen (bei externen Antennen) oder am Fußpunkt der internen Antenne an. Der ideale (isotrope) Kugelstrahler hätte einen Gewinn von 0 dB. Er würde in alle Richtungen (oben-unten-links-rechts-vorn-hinten) gleichmäßig strahlen, die am Fußpunkt eingespeiste Leistung verteilt sich gleichmäßig im Raum. Wenn man sich das Strahlungsdiagramm in 3D vorstellen würde, würde man eine Kugel sehen. Stell dir vor, du nimmst einen Luftballon, den du einfach nur aufbläst. Diesen idealen Kugelstrahler gibt es aber nicht, er ist nur ein Modell. Aber die Maßeinheit dBi bezieht sich auf diese Antenne (i = isotrop).
    Normale Stabantennen (wie zum Beispiel die der Turbobox) haben einen Gewinn von 2,1 dBi. Dieser resultiert aus der Tatsache, dass diese Antennen nicht nach oben oder unten strahlen, sondern nur in der horizontalen Ebene. Da die eingespeiste Leistung am Fußpunkt der Antenne sich wieder im Raum verteilen wird, nach oben und unten nicht weggehen kann, wird sie sich in der horizontalen Ebene etwas weiter ausbreiten. Das Strahlungsdiagramm für diese Antenne sieht nun aus, als ob du den Luftballon oben und unten mit jeweils 1 Finger zusammendrückst. in der horizontalen Ebene wird der Durchmesser zunehmen, das ist eben der Gewinn gegenüber dem isotropen Kugelstrahler.

    Bezogen auf unser Endgerät bedeutet das, dass zu den +23 dBm Ausgangsleistung also 2,1 dBi Antennengewinn dazu kommt, die Abgestrahlte Sendeleistung (EIRP) liegt also bei 25,1 dBm (= 0,32 dBm). Das ist genau der Wert, der von der BNetzA als maximal zulässig eingestuft wurde.

    Kommen wir nun zu der Kategorie Richtantenne. Wenn ich jetzt unser Luftballon-Modell (immer noch zusammengepresst mit den beiden Fingern von oben und unten) gedanklich gegen eine Wand presse, und zwar genau bis zur eigentlichen Mitte des Ballons, muss die enthaltene Luft ja irgendwo hin. Nach oben und unten geht ja nicht (wegen der Finger), nach hinten geht nicht, wegen der Wand, bleibt nur die Richtung nach vorn. Da ich aus der einen Hälfte des Ballons nun die Luft komplett rausgepresst habe, befindet sich in der anderen Hälfte nun die doppelte Menge. Entsprechend verdoppelt sich die Luftdichte in der noch vorhandenen Hälfte und deren Ausdehnung nimmt dementsprechend zu.
    Bezogen auf unsere Antenne würde das bedeuten, dass wir:
    2,1 dBi (= Grundgewinn wegen der Finger) + 3 dB (Luftverdoppelung) = 5,1 dBi Antennengewinn

    bei einem Öffnungswinkel von 180° (= glatte Wand) hätten. Dieses Spiel mit der verdrängen Luft kann man jetzt in seiner Vorstellung weiter fortsetzen, wenn man die Wand einfach knickt und den Ballon gedanklich in die entstehende Ecke presst. Innerhalb des Öffnungswinkels bildet sich jetzt eine Keule aus dem Ballon, deren Ausdehnung (= Gewinn) in die offene Richtung immer mehr zunimmt, je kleiner der Winkel wird. Natürlich gibt es noch andere Möglichkeiten, den Gewinn einer Antenne zu steigern, aber ich belasse es erst einmal bei diesem einfachen Modell.

    Eine Antenne mit 8 dBi hat also gegenüber den rundstrahlenden Stabantennen einen nominalen Gewinn von 6 dB, also würde man die abgestrahlte Leistung des Endgerätes mit Rundstrahlern vervierfachen. Berechnen kann man dann den EIRP entweder, indem man zur Ausgangsleistung des Endgerätes den Antennengewinn in dBi addiert:
    EIRP = +23 dBm (0,2 Watt) + 8 dBi = 31 dBm (1,26 Watt)

    oder indem man den EIRP des Endgerätes mit Rundstrahlern zu Grunde legt und dann den Gewinn der Richtantenne gegenüber dem Rundstrahler dazu addiert:
    EIRP = +25 dBm (0,32 Watt) + 6 dB = 31 dBm (1,26 Watt)

    Bezogen auf die Reichweite bedeuten die 6 dB Gewinn gegenüber den Rundstrahlern eine Verdoppelung, die Herleitung der Berechnung erspare ich mir aber hier...


    Credits: Nochmal vielen Dank an Thomas-B für den wirklich anschaulichen und gelungenen Beitrag!
     
  2. Fahrinurlaub

    Fahrinurlaub New Member

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    Dankeschön für die verständliche Zusammenfassung!

    Hier hat sich wohl der Fehlerteufel eingeschlichen:
    ...die Abgestrahlte Sendeleistung (EIRP) liegt also bei 25,1 dBm (= 0,32 dBm).

    Sollte wohl heißen:
    ...die Abgestrahlte Sendeleistung (EIRP) liegt also bei 25,1 dBm (= 0,32 Watt).
     

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