Antenne Information
Wie wähle ich die richtige Antenne?
Antennen, wichtiger als man denkt:
Viele Einsteiger konzentrieren sich auf die Auswahl des richtigen Flightcontrollers, Frames, der richtigen Motoren und ESC’s. Die Antennen kommen häufig zu kurz oder werden von manch einem vielleicht sogar ganz vergessen. Antennen sind aber wichtiger als man denkt und entscheidender Faktor für die Reichweite der Drohne. Insgesamt benötigt man mindestens vier Antennen um eine FPV-Drohne zu fliegen.
- Eine Antenne am Radio-Transmitter, welche die Signale zur Drohne schickt
- Eine Antenne am Receiver, welche die Signale des Radio-Transmitters aufnimmt
- Eine Antenne am Video-Transmitter, welche den FPV-Video Feed an die FPV-Brille sendet
- Eine Antenne an der FPV-Brille, welche den FPV-Video Feed aufnimmt.
Funktionsweise:
Die Antenne wandelt beim Senden elektrische Signale in elektromagnetische Wellen um und gibt sie an die Umgebung am. Beim Empfangen passiert das Gleiche nur anders herum. Wenn man die Antenne abnehmen würde, dann wird der Anschluss, an welchem die Antenne befestigt war zur Antenne. Jedes stromleitende Material fungiert als Antenne. Eine Antenne ist ein stromleitendes Material, welches so geformt ist, dass es besonders gut elektromagnetische Wellen senden und empfangen kann.
Aufbau:
Natürlich gibt es Unmengen an verschiedenen Antennenarten. Weshalb es keinen universellen Aufbau für Antennen gibt. Jede Antenne braucht aber folgenden grundlegende Strukturelemente.
Element:
Das Element ist das stromleitende Bauteil der Antenne, welches elektromagnetische Wellen in elektrische Signale und andersrum umwandeln kann. Auf dem Bild oben ist eine Circular polarisierte Antenne abgebildet, welche ein ausgefeiltes Element besitzt. Andere Antennen haben einfach nur einen langen Stab als Element. Die Form des Elements bestimmt die charakteristischen Eigenschaften einer Antenne.
Koaxialkabel:
Das Koaxialkabel verbindet das Element mit dem Verbindungsstecker der Antenne. Koaxialkabel sind speziell isoliert und abgeschirmt damit sie nicht als eigenständige Antenne fungieren. Das Kabel ist meist durch eine Gummischicht, ein Metallschild und eine Isolierschicht geschützt. Aus diesem Grund kann man Koaxialkabel im Vergleich zu normalen Kabeln auch nicht so leicht reparieren. Es geht, aber es ist für Anfänger nahe zu unmöglich.
Verbindungsstecker:
Der Verbindungsstecker verbindet die Antenne mit dem Transmitter oder dem Receiver an dem sie angeschlossen wird. Antennen für Radioübertragung besitzen meist einen anderen Anschluss als Antennen für Videoübertragung. Aber auch innerhalb von Radio- und Videoübertragung gibt es nochmal unterschiedliche Anschlüsse. Dazu weiter unten mehr.
Frequenz:
Jede Antenne ist für eine ganz bestimmte Frequenz ausgelegt. Im RC-Bereich sind zwei Frequenzen besonders vertreten. Auf 2.4GHz operieren meist Radio-Transmitter und -Receiver und auf 5.8GHz operieren meist Videotransmitter und -Receiver. Eine Antenne welche beispielsweise für 2.4GHz ausgelegt ist, wird an einem 5.8GHz Gerät nicht funktionieren. Man sollte beim Kauf also darauf achten die richtige Frequenz zu wählen.
Die Frequenz spiegelt sich meist in der Größe der Antennen wieder. Antennen mit niedriger Frequenz sind meist größer und Antennen mit größerer Frequenz meist kleiner.
Abstrahlcharakteristiken:
Hier geht es darum auf welche Weise und in welche Richtungen die Antenne die elektromagnetischen Wellen sendet oder empfängt.
Man kann grob zwischen directional (gerichtet) und omni-directional (in alle Richtungen) unterscheiden.
Direktional:
Radiowellen werden nur in eine Richtung oder in einem begrenzten Bereich gesendet oder empfangen. Dafür ist die Reichweite größer. Das Gain ist hier hoch.
Omni-Direktional:
Radiowellen werden rundum in alle Richtungen gleichmäßig abgegeben. Weil die Sendeleistung durch die Rundumabstrahlung nicht fokussiert wird, ist die Reichweite geringer als bei Directional-Antennen. Das Gain ist hier gering.
Gain:
Wie stark die Fokussierung einer Antenne ist, kann man aus der Angabe „gain“, welche in Dbi oder in Dbd angegeben ist, ablesen. Gain gibt an, wie stark die von einer Antenne abgestrahlte Energie an einem bestimmten Punkt fokussiert wird. Kurz gesagt ist die Fokussierung und die damit verbundene Steigerung der Signalstärke in diesem fokussierten Bereich größer, wenn die Gain-Angabe einer Antenne größer ist. Eine Antenne mit einem Gain von 3dBi ist zum Beispiel fokussierter als eine Antenne mit einem Gain von 1,5dBi. Das ganze kann man sich auch gut mit einem Laserstrahl vorstellen.
Die Taschenlampe wäre in diesem Beispiel eine Antenne mit niedrigem Gain. Sie verteilt ihre Energie auf einer breiteren Fläche. Der Laserstrahl aber fokussiert seine Energie an einer bestimmten Stelle. An dieser Stelle ist das Signal sehr stark. Genauso wie bei einer Antenne mit hohem Gain.
Die einzige Antenne welche einen tatsächlichen gain von 0 besitzen würde, wäre eine isotropische Antenne, welche Energie in alle Richtungen mit derselben Intensität abgeben würde. So etwas wie eine isotropische Antenne ist aber jedoch nur eine Theorie, da so etwas praktisch nicht möglich ist. Die Antennenform bestimmt in welche Richtungen wie viel Energie abgestrahlt wird.
Omni-Direktionale Antennen haben einen niedrigerer Gain-Angabe als Direktionale Antennen.
Wenn man sich dafür interessiert in welche RIchtungen und mit welcher Intensität eine Antenne Radiowellen abstrahlt, kann man im Internet nach Strahlungsdiagrammen für die jeweile Antenne suchen. Aus ihnen kann abgelesen werden, an welchen Stellen die Antenne einen hohen oder niedrigen Gain besitzt.
Polarisation:
Neben den Abstrahlcharakteristiken besitzt eine Antenne auch eine Polarisation, beziehungsweise die elektromagnetischen Wellen welche von ihr empfangen oder gesendet werden. Ein Verständnis von Polarisation kann dabei helfen die Reichweite der Drohne zu erhöhen.
Lineare Polarisation:
- Elektromagnetische Wellen bewegen sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
- Welle befindet sich in einer 2-dimensionalen Ebene. Wenn ich die Antenne um 90° Drehe, dann dreht sich die Welle auch um 90°
- Wenn die Sender- und Empfängerantenne beide Linear polarisiert sind, dann sollten beide Antennen im selben Winkel zueinander ausgerichtet sein. Wenn eine der beiden Antennen eine andere Rotation aufweist, dann verschlechtert sich automatisch die Verbindungsqualität, weil die beiden Ebenen der Antennen zueinander gedreht sind.
- Wenn beide Antennen in einem 90° Winkel zueinander stehen, kann es zum vollständigen Verlust des Signals kommen. Die Antennen der Sendeantenne schwingen einfach an der Empfängerantenne vorbei, weil die Ausrichtung der Ebene zu unterschiedlich ist.
- Linear polarisierte Antennen haben aber den Vorteil, dass sie eine höhere Reichweite bieten könne. Das liegt daran, dass sie ihre Sendeleistung auf eine einzige 2-dimensionale Ebene konzentrieren.
- Weil sich eine Drohne aber bewegt und sich die Ausrichtung der Antennen zueinander dadurch ständig ändert, kann die Verbindung oft schlecht sein.
Circular (kreisförmige) Polarisation:
- Bei der circular Polarisation bewegen sich die Wellen nicht auf einer 2-dimensionalen Ebene. Die Antenne dreht die Wellen durch ihre Form sozusagen an, sodass ein Korkenziehermuster entsteht. In einem 3-dimensionalen Koordinatensystem breitet sich die Welle in alle drei Richtungen aus und ist damit 3-dimensional
- Dadurch ist egal in welcher Ausrichtung sich Sender- und Empfängerantenne befinden.
- Blau und Grün dargestellt: Lineare Polarisation
- Rot dargestellt: Kreisförmige Polarisation
- Man unterscheidet hier jedoch zwischen “Left Hand Circular Polarized” (LHCP) und “Right Hand Circular Polarized” (RHCP).
- Der Unterschied hier liegt darin, in welche Richtung die Welle angedreht wird, also im oder gegen den Uhrzeigersinn.
- LHCP ist genauso gut wie RHCP. Wichtig ist nur, dass Sender- und Empfängerantenne die gleiche Drehrichtung haben.
Antennen-Typen
Monopol- und Dipolantenne:
Monopolantennen und Dipolantennen sind sich sehr ähnlich. Sie sind beide Omni-direktional und linear polarisiert. Beide Antennen haben auch eine sehr ähnliche Abstrahlcharakterisktik, welche ein bisschen an einen Donut erinnert. Im Zenit und Nadir haben sie “blinde Flecken”, an welchen der Gain im negativen Bereich ist und die Signalstärke sehr schwach ist. Beide werden als Antennen für den Radiotransmitter und Radioreceiver verwendet. Sie werden nur selten zur Videoübertragung eingesetzt.
Circular (kreisförmig) polarisierte Antennen “Mushroom” (pilz):
Dieser Antennentyp ist vor allem bei der Videoübertragung beliebt. Denn wie der Name schon sagt sind diese Antennen kreisförmig polarisiert, was unabhängig von der Ausrichtung der Drohne für ein gutes Bild sorgt. Die Antennen sind relativ kompakt und leicht, weshalb sie an der Drohne selbst eingesetzt werden können. Auf dem Bild unten ist das Element gut erkennbar. Oft befindet es sich aber unter einer Kunststoffabdeckung, sodass es besser geschützt ist.
Pagoda Antennen:
Pagoda Antennen sind genauso wie Circular polarisierte Antennen omnidirektional und kreisförmig polarisiert. Der Vorteil der Pagoda Antenne ist ihr simpler Aufbau und die niedrigen Produktionskosten. Zudem sind sie relativ klein und können normalerweise problemos an einem 5” Mulicopter angebracht werden. Weil diese Antennen einen so einfachen Aufbau haben, kann man sich sogar die Einzelteile kaufen und sie selbst zusammenbauen.
Patch Antennen:
Patch Antennen sind ein Kompromiss zwischen direktional und omni-direktional. Sie sind nämlich nicht vollkommen direktional, sondern senden und empfangen in einem gewissen Bereich. Dieser Bereich ist zwar klein genug um eine deutliche Fokussierung der Sendeleistung zu ermöglichen, aber nicht zu klein, damit man noch eine gewisse Bewegungsfreiheit mit seiner Drohne hat, ohne dass man den Operationsbereich der Antenne verlässt. Im Vergleich zu Omni-direktionalen Antennen haben Patch-Antennen einen 2-3-mal höheren Gain. Wegen ihrer Größe kann man sie aber nur selten an der Drohne verwenden, sondern nur an Bodenequipment wie Radio-Transmitter und Video-Receiver.
Helical Antennen:
Dieser Antennen-Typ ist sehr direktional. Neben der hohen Direktionalität sind Helical Antennen kreisförmig polarisiert und werden zum Empfangen von Videosignalen verwendet. Durch ihre hohe Direktionalität besitzen sie einen sehr hohen Gain, wodurch hohe Reichweiten ermöglicht werden. Sie sind für Long-Range Flüge in eine bestimmte Richtung gedacht. Man muss die Antenne regelrecht auf die Drohne ausrichten.
Antennen-Anschlüsse
Antennenanschlüsse haben die Aufgabe die Antenne sicher und fest mit einem Receiver oder Transmitter zu verbinden. Im Moment gibt es drei weit verbreitete Anschlüsse
SMA-Anschluss:
Der SMA-Anschluss wird von den drei gängigsten Anschlüssen am längsten im FPV-Bereich verwendet. Trotzdem ist er heute immer noch beliebt. Besonders im Bereich der Videoempfänger sind SMA-Anschlüsse heute Standard. Viele Videosender verwenden auch SMA-Anschlüsse aber MMCX und U.FL-Anschlüsse werden immer beliebter. Der große Unterschied zu den beiden anderen Anschlüssen ist, dass SMA-Stecker ein Gewinde haben und miteinander verschraubt werden. Die beiden anderen Anschlüsse werden mit Steckverbindungen verbunden. Durch die Schraubverbindung und ihre Größe sind SMA-Anschlüsse sehr Robust und halten viel aus. Leider sind sie deshalb auch relativ schwer. Oft sorgen sie auch für Verwirrungen. Es gibt nämlich zwei Varianten. Zum einen die SMA-Anschlüsse und zum anderen die RP-SMA (“reverse pole SMA”) Anschlüsse. Beide dieser Varianten besitzen male und female. SMA male und female passen zusammen und RP-SMA male und female passen zusammen. Zwischen SMA und RP-SMA besteht aber keine Kompatibilität. Beide sehen sich aber zum verwechseln ähnlich. Oben auf dem Bild sieht man links SMA und rechts RP-SMA.
Wenn man nun doch eine Antenne mit falschem Anschluss gekauft hat, dann gibt es Adapter, welche die Kompatibilität ermöglichen (RP-SMA zu SMA oder SMA zu RP-SMA)
U.FL (IPEX) -Anschluss:
Der U.FL-Anschluss, welcher auch unter dem Namen IPEX bekannt ist, stellt den kleinsten der drei Anschlüsse dar. Damit ist er auch der leichteste. Genau wie beim SMA-Anschluss gibt es auch hier male und female. Wie gerade eben schon erwähnt, handelt es sich bei diesem Anschluss um keine Schraubverbindung, sondern um eine Steckverbindung. Die Steckverbindung ist aber leider dafür bekannt sehr schwach zu sein und sich leicht zu lösen (z.B bei einem Crash). Oft hilft es die Steckverbindung mit zum Beispiel Klebeband oder ein wenig Heißkleber zusätzlich zu sichern. Das ist aber nicht das einzige Problem. Die Verbindungen lösen sich nämlich nicht nur schnell, sondern sind oft auch schnell beschädigt und unbrauchbar. Man sollte also mit großer Sorgfalt umgehen, wenn man mit U.FL / IPEX Anschlüssen hantiert. Im Moment werden U-FL-Anschlüsse übrigens größtenteils bei Videotransmittern verwendet.
MMCX -Anschluss:
Der MMCX-Anschluss ist eine Art Kompromiss zwischen dem SMA- und U.FL Anschluss. Er ist nicht so groß und schwer wie ein SMA-Anschluss aber auch nicht so klein und empfindlich wie ein U.FL Anschluss. Beim MMCX Anschluss handelt es sich auch um eine Steckverbindung. Diese ist aber um einiges robuster und vor allem fester als die Steckverbindung beim U.FL Anschluss. Auch MMXC-Anschlüsse werden im Moment größtenteils bei Videotransmittern verwendet.
Adapter:
Adapter sind dazu da Kompatibilität zwischen Bauteilen zu schaffen, welche unterschiedliche Steckertypen besitzen. Wie oben schon erwähnt, gibt es Adapter, welche SMA mit RP-SMA kompatibel machen. Es gibt aber auch Adapter, welche zum Beispiel SMA auf MMCX konvertieren. 
Neben Adaptern gibt es auch Verlängerungen oder spezielle Formen. Die Patch-Antenne ist beispielsweise ziemlich groß und es kann passieren, dass nicht genug Platz ist, um die Patch-Antenne und eine andere Antenne nebeneinander anzubringen. Dafür gibt es dann beispielsweise ein Eckteil, durch welches man ein wenig mehr Dynamik und Möglichkeiten besitzt.
Optimale Position der Antennen
Eine richtig platzierte Antenne kann die Reichweite und Qualität der Übertragung stark verbessern. Weil alle stromleitenden Materialen als Antenne fungieren können, absorbieren alle leitenden Teile an der Drohne die Radiowellen. Deshalb sollten alle Antennen welche an der Drohne befestigt sind, soweit wie möglich von der Drohne selbst (besonders dem Strom leitenden Frame) entfernt sein. Es sollte sichergestellt werden, dass der Frame den Antennen nicht im Weg ist.
2.4GHz Receiver Antenne:
Wenn zwei linear polarisierte Antennen verwendet werden, sollte darauf geachtet werden, dass beide an der Drohne befestigten Antennen, im besten Fall senkrecht zueinanderstehen, damit eine Varietät vorhanden ist um einen besseren Empfang zu haben. Wenn eine Antenne wegen ihrer Lage nur einen schlechten Empfang hat, dann hat die andere dafür einen umso besseren Empfang. Natürlich geht das nur, wenn auch zwei Antennen vorhanden sind. Generell ist es sehr ratsam zwei Antennen zu verwenden. Manche Hersteller stellen sogar Anleitungen zur optimalen Position ihrer Antennen bereit.
Da man die Antenne so weit wie möglich vom Frame entfernen sollte, weil dieser die elektromagnetischen Wellen stört, muss man manchmal kreativ werden. Eine meiner Meinung nach gute Methode ist es Plastikröhrchen zu verwenden. Diese kann man extra für diesen Gebrauch kaufen. Dadurch kann man die Antennen, vom Frame wegzeigend, montieren und schützt sich gleichzeitig noch vor Beschädigungen. So kann das dann aussehen:
5.8GHz Video-Sender Antenne:
Die Antenne welche zur Videoübertragung verwendet wird, sollte in einem 90° Winkel zur FPV-Kamera stehen. So steht sie gerade, wenn man mit der Drohne gerade ausfliegt. Auch sie sollte so weit wie möglich vom Frame entfernt sein (wenn man die Antenne zu weit entfernt, kann es aber auch dazu führen, dass sie bei einem Crash schneller beschädigt wird). Zudem sollte man sie so anbringen, dass der Video-Transmitter bei einem Crash nicht beschädigt wird. Viele Leute schließen ihre Antennen so an, dass manchmal ein Teil des SMA-Anschlusses aus dem Rahmen heraussteht. Bei einem unglücklichen Crash kann der Anschluss samt dem Transmitter beschädigt werden. Es sollte auch sichergestellt werden, dass die Antenne nicht in die Propeller kommen kann. Kabelbinder kann hier sehr hilfreich sein.
Reichweite erhöhen
Wer immer noch nicht die gewünschte Reichweite aus seiner Drohne rausholen kann, sollte jetzt nicht frustriert sein und einfach einen Transmitter mit höherer Ausgabeleistung kaufen. Es gibt nämlich noch einen anderen Trick und dieser nennt sich Diversity.
Diversity Modul:
Diversity heißt auf Deutsch übrigens Vielfalt. Und genau darum geht es, beziehungsweise um die Vielfalt von Antennen. Sogenannte Diversity-Module sind in der Lage mit mehreren Antennen gleichzeitig zu arbeiten. Das bedeutet man schließt nicht nur eine Antenne an den Empfänger an, sondern zwei. Das Diversity-Modul benutzt immer nur eine Antenne und nie mehrere gleichzeitig. Es sucht sich nämlich die Antenne mit dem besten Signal heraus und verwendet dann diese als Empfangsantenne. Das öffnet natürlich komplett neue Möglichkeiten. Beispielsweise kann man eine Patch Antenne und eine Pagoda Antenne an ein Diversity Modul anschließen. Wenn man in nächster Nähe fliegt genießt man die Vorzüge der omni-direktionalen Pagoda Antenne. Wenn man in weiterer Entfernung fliegt benutzt das Diversity Modul die Patch Antennen und man kann von der dann höheren Reichweite profitieren. Diversity-Module sind meist teurer aber ein absolutes Muss, wenn man wirklich die Reichweite der Drohne erhöhen möchte.
Dual Antennas:
Achtung hier herrscht Verwechslungsgefahr. Diversity-Module sind nicht mit Dual-Antenna System gleichzusetzten. Bei einem Dual Antenna System kann man zwar auch zwei Antennen gleichzeitig anschließen, aber hier werden auch beide Antennen gleichzeitig verwendet. Anstatt die Antenne mit dem derzeitig besseren Empfang zu verwenden und die andere zu deaktivieren, werden die Signale der beiden angeschlossenen Antennen einfach zusammengeführt. Das kann die Reichweite zwar vergrößern aber auch drastisch verringern. Wenn eine Antenne zum Beispiel einen Empfang von 100% hat und die andere einen Empfang von 0% besitzt, dann entsteht durch die Zusammenlegung beider Signale eine endgültige Signalstärke von 50%.
