Skript - Hochschule Heilbronn

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Jürgen Doneit
[email protected]
1
Hochschule Heilbronn
2
1. Tag
1.1 10.00 Uhr Einleitung
Begrüßung
1.2. 10.15 Uhr Physikalische Grundlagen
Spannungsquellen, Stromquellen, Widerstand, elektrisches-/
magnetisches Feld, elektromagnetische Wellen
1.3 12.30 Uhr Mittagessen
1.4 13.30 Uhr Das Funkgerät
Funktionen, Messungen, zukünftige Entwicklungen. Die
Prüfung in der Praxis.
1.5 15.30 Uhr Pause
1.6 15.45 – 17.30 Grundlagen der Antennentechnik
Dipol,
Antennen-Charakteristik, Reflexion, Anpassung, Nahfeld, Fernfeld
3
2.Tag
2.1 9.00 Uhr Der Transponder Mode
Funktionsweise Mode S
Kennung, erweiterte Funktionen
2.2.10.15 Uhr Die Funktionsprüfung
Software, Hardware, praktische Vorführung
2.3 12.15 Uhr Mittagessen
2.4 13.00 Uhr Typische Avionik-Fehler in der Praxis
2.5 14.30 Uhr GPS / VOR Funktion und Praxis
2.6 15.30 Uhr Pause
2.7 15.50 Prüfung
2.8 16.50-17.20 Zusammenfassung und Auswertung
4
Quelle der Comics: Der Computer Comic von Larry Gonick, 1984, Rowohlt Taschenbuch
5
Literatur und Quellen
• Elektrotechnik und Elektronik für Informatiker
• Band1: Grundgebiete der Elektrotechnik,
1999
Reinhold Paul, Teubner Verlag, ISBN 3-51912126-3
• http://www.elektronik-kompendium.de/
6
7
Elektrotechnik
Grundlagen, Batterie, Sicherungen, Kabel, Zentrale
Masse, Meßtechnik
8
Elektrotechnik
Energietechnik
Informationstechnik
Energieerzeugung
Energieverteilung
Antriebstechnik
Wärmewirtschaft
Telekommuniktion
Unterhaltungselektronik
Datenverarbeitung
Automatisierungstechnik
9
Atomistik
Teilchen
Masse/g
Ladung/As
Proton
1,6*10-24
+1,6*10-19
Elektron
9,1*10-28
-1,6*10-19
Neutron
1,6*10-24
keine
10
Energie - Bändermodell
11
Ladung, Feld, Spannung
Kleinste Ladungsmenge e = -1,602*10-19 As
Q= n*e-
Ladungsmenge
Einheit [As] oder [Coulomb] = [C]
12
Elektrisches Feld , elektrische Spannung
Zwischen zwei unterschiedlichen Ladungen
verändert sich die Eigenschaft des Raumes.
Auf weitere in diesem Raumgebiet befindlichen
Ladungen wirken Kräfte. Es wirkt das
Elektrische Feld E
[V/m]
F=q*E [N]
E*d = U [V]
13
Energie
Wird elektrische Ladung von einem Punkt zu einem
anderen bewegt und besteht zwischen diesen Punkten eine
Spannung U so wird bei der Bewegung Energie umgesetzt.
Arbeit
W=Q*U
[V A s] = [W s] = [ Joule ]
einsetzen von Q= I * t ergibt:
Umrechnung von Energieeinheiten
1kWh = 3,6 *106 Ws
W=U*I*t
1 Ws = 0,239 cal
1kWh= 860 kcal
1l Öl = 10 kWh = 8600kcal
14
Reichweite aus 100m2 Jahresertrag
Energieart
Benzin PKW mit 5l/100km
Diesel PKW mit 4l/100km
Bioethanol
444
Elektro-PKW mit 16kWh/100km
Biodiesel
500
Biomass to Liquid
780
Strom aus PV
50000
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
km
15
Leistung
Leistung ist definiert als Arbeit pro Zeiteinheit
P= W / t
[VA]=[W]
für Gleichstrom ergibt sich somit:
P=U*I
bei zeitabhängigen Größen ergibt sich:
p(t) = u(t) i(t)
16
Der elektrische Widerstand
U12 = ρ ∗ l / A * I
ohmsches
Gesetz
ρ = 1 / κ [Ω m]
U12 = R * I
R = ρ ∗ l / A [Ω]
17
Temperaturabhängigkeit des
ohmschen Widerstandes
18
Widerstandstabelle
19
Übung
Ein Kupferdraht von 6m Länge, soll bei einem
Strom von 100A nicht mehr als 1 V
Spannungsverlust haben.
Cu= 1,8 *10-8 m ;  =3,9* 10-3
a) Querschnitt in mm2?
b) Welchen Widerstand hat er bei 120°?
20
Lösung
A) A = 10,8 mm2
B) R= 13,9 mΩ
21
Spannungspotenzial
Das Potenzial eines Punktes ist gleich der Spannung dieses Punktes
gegenüber dem Bezugspunkt 0 V (Masse).
+
Dabei gilt:
+
•
Die Messung eines Potenzials bezieht sich
immer auf einen Bezugspunkt. Dieser hat 0 V
und wird im allgemeinen als Masse bezeichnet. +
•
Bei der Messung eines positiven Wertes, ist
das Potenzial positiver als der Bezugspunkt.
•
Bei der Messung eines negativen Wertes, ist
das Potenzial negativer als der Bezugspunkt.
+
22
Spannungsmessung
•
Ein Spannungsmessgerät wird immer parallel zum Verbraucher,
Bauelement oder zur Spannungsquelle angeschlossen.
•
Bei der Messung an der Spannungsquelle wird der
momentane Spannungswert gemessen.
•
•
Am Verbraucher wird der Spannungsabfall
gemessen. Dieser ist eine Teilspannung der Gesamtspannung
der Spannungsquelle.
+
Um die zu messende Schaltung
nicht zu beeinflussen, sollte
der Innenwiderstand des
Spannungsmessgerätes
möglichst hochohmig sein.
U
_
_
+
U
+
U Lampe
U Batt
-
UR
_
+
U
23
Stromrichtung
Physikalische Stromrichtung
(Elektronenstrom):
Da die negativen Ladungsträger
den Stromfluss tragen, fließen
die Elektronen von
Minus (-) nach Plus (+)
physik. Stromrichtung
+
_
techn. Stromrichtung
Technische
Stromrichtung
(historische
Festlegung):
Die Stromrichtung innerhalb einer
Schaltung wird auch heute noch von
Plus(+) nach Minus(-) definiert
24
Strommessung
•
Das Strommessgerät wird immer in Reihe zum
Verbraucher angeschlossen. Dazu muss die
Leitung des Stromkreises aufgetrennt werden
um das Messgerät in den Stromkreis
einzufügen.
•
Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte
möglichst niederohmig sein, um den
Stromkreis nicht zu beeinflussen.
+
I ges
-
I ges
I ges
+ I ges
_
I
25
Sicherungen
- Verbrauchergruppe
- Querschnittsänderung
26
Kabel
• Gewichtsarme Kabel - AXALU® CENTRAL CONDUCTOR
Hauptcharakteristika
- versilbertes Aluminium
- Patentierter Produktionsprozess
- Von AWG 38 solide bis AWG 6 in Litzenausführung
- Leitfähigkeit = 63 % IACS
(International Annealed Copper Standard)
- Tensile strength=15 daN/mm²
- Temperaturbereich bis + 150°C
- Gewichtsersparnis bis 59 % gegenüber Kupferleitungen
27
AWG Kabelgrößen
28
Zentrale Masse
Jeder Verbraucher bekommt ein eigenes
Massekabel zur zentralen Masse.
(Vermeidung von Störungen und
Spannungsabfällen)
29
Beispiel : Verbraucher im Flugzeug
Funkgerät, Beleuchtung
30
Übung
Ein Funkgerät nimmt bei 14,4 Volt Bordspannung beim
Senden 1,2 Ampere Strom auf.
a) Gebe die verbrauchte elektrische Leistung an.
b) Welchem elektrischen Widerstand entspricht die Last.
31
Lösung
A) P = 17,28 W
B) R= 12 Ω
32
Elektromagnetische Wellen
26. Mai 2014
33
Gliederung
• EM - Wellen allgemein
–
–
–
–
–
–
Anwendungen
Elektromagnetisches Spektrum
Eigenschaften
Physikalische Grundlagen
Entstehung
Erzeugung
• EM- Wellen und Navigation
– Einführung EM-Wellen/ GPS
– Aufbau und Auswirkung der Atmosphäre
– Fehlerverhalten und Korrektur bei GPS
34
35
Das Elektromagnetische Spektrum
Sichtbarer Bereich:
4x10^14 Hz - 7,5x10^14Hz
4x10^-7m - 1,5 x 10^-7 m
36
Eigenschaften
•
•
•
•
•
•
•
•
Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum)
transversale Wellen
Wellengleichung gültig
bestehen aus sinusförmigen elektrischen und
magnetischen Feldern
harmonisch
nicht an materielles Medium gebunden
entstehen durch beschleunigte elektrische Ladungen
transportieren Energie
37
Physikalische Grundlage
“Ein sich änderndes Magnetfeld
induziert ein sich änderndes
elektrisches Feld und umgekehrt.”
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
• Elektrisches und magnetisches Feld in Natur untrennbar verknüpft
38
Maxwellsche Gesetze 1
• Ruhende elektrische Ladungen erzeugen el. Felder, deren
Feldlinien bei den Ladungen beginnen oder enden
39
Maxwellsche Gesetze 2
• Ströme, d.h. bewegte Ladungen, erzeugen Magnetfelder, deren
geschlossene Feldlinien die Ströme umkreisen
40
Maxwellsche Gesetze 3
• Sich ändernde Magnetfelder erzeugen elektrische Felder,
deren geschlossene Feldlinien die Änderungsrichtung der
magnetischen Induktion umkreisen
41
Maxwellsche Gesetze 4
• Ein fließender Strom und ein sich zeitlich änderndes
elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld:
42
Auslenkungsgrößen
• ein elektrisches und ein magnetisches Feld
43
Ausbreitung
Ausbreitung2D
„Veranschaulichung Einholung“
44
Ausbreitung 3D
45
Ausbreitung
• Felder schwingen mit Frequenz f
• Kreisfrequenz
• wiederholen sich als Funktion vom Ort entlang der
Ausbreitungsrichtung nach
• Wellenzahl
• Wellengleichung
• c Ausbreitungsgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit)
• c ist Funktion der Konstanten des Mediums.
46
Maxwell: Ausbreitung im Vakuum
• elektrische Eigenschaft („Permitivität”)
– elektrische Feldkonstante
• Magnetische Eigenschaft („Permeabilität”)
– Faktor
v=
= 299 792 456,2 m/s
Maxwells Schlussfolgerung: Licht ist Elektromagnetische Welle
47
Maxwell: Ausbreitung in Materie
• Erweiterung der Gleichung um Materialkonstanten
-Relative Dielektrizität
-Relative Permeabilität
•Materialkonstanten >= 1
48
Maxwell: Feldgröße
• Elektrisches Feld E
• Magnetisches Feld B
• Größe der Felder in EM-Welle:
B auch bei großer elektrischer
Feldamplitude klein.
Faustformel Feldstärke in Abhängigkeit von
Senderleistung, Abstand und Antennengewinn
G = Antennengewinn absolut
Ps = Sendeleistung in W
d = Abstand in m
49
Entstehung - 2 Fragen
• Feldlinien einer Ladung erstrecken sich im unendlichen (Welt-)Raum
• 1. Was passiert mit den Feldlinien wenn die Ladung oszilliert?
• 2. Wann stellt man dies z.B. in 1 Mio. Km Entfernung fest?
50
Antwort Frage 1
• Feldlinien „schlängeln“ sich im Raum
• Es entsteht eine Welle
51
Antwort Frage 1
• Feldlinien „schlängeln“ sich im Raum
• Es entsteht eine Welle
52
Antwort Frage 2
• Wann stellt man Oszilation in 1 Mio. Km Entfernung fest?
• Entfernung: 10^9m
• Geschwindigkeit: 3x10^8 m/s
• v=s/t => t=v/s
53
Entstehung
• beschleunigte elektrische Ladungen
• in einzelnen Atomen
– Lichtemission durch elektronische Energieübergänge in
Atomen oder Molekülen
• im freien Raum
– schwingende Elektronen im Vakuum in einem
Radarsender (Klystron) oder in Materie (schwingende
Ladungen in einer Sendeantenne)
• Ladungen im Atomkern
– Emission von Gammastrahlen durch einen angeregten
Kern
54
Wellengeneratoren
sehr unterschiedlich
• Langwellige Radiowelle
– Antenne (mehrere hundert Meter lang)
• Mikrowelle
– Vakuumröhre mit einigen cm Durchmesser
• Licht
– einzelne Atome oder Moleküle
• Gamma Strahlung
– Einzelne Atomkerne
beschleunigte Ladungen strahlen Energie in Form von EM- Wellen aus
55
Erzeugung – Hertz`scher Dipol
Nach Heinrich Hertz 1887
56
Erzeugung - Beispiel
• Hertzscher Dipol - Abschnürung von Feldlinien
57
Erzeugung - Beispiel Dipol-Antenne
58
EM-Wellen verlassen Dipol
59
Informationen übermitteln
AM - FM
60
Nachrichtenübertragung
• Amplitudenmodulation
• Frequenzmodulation
61
Frequenzmodulation
Modulationsindex
62
Ausbreitung
• Erdoberfläche
– Absorption
– Krümmung
 Richtfunk
63
Warum kann man Radio überall hören?
64
Verhalten
elektromagnetischer Wellen
in der Atmosphäre
65
Aufteilung der Atmosphäre nach dem
Ionisierungszustand der Luft
Troposphäre
–
–
–
–
Untere Schicht, bis ca 80km
80% der Atmosphärenmasse
Wasserdampf, Ozonschicht, Wetter
Absorption kurzwelliger Sonnenstrahlung
Ionosphäre
–
–
–
–
–
Bis ca 640km
Sehr geringe Dichte der Luft
Materie fast vollständig ionisiert (haupts. kurzwellige Sonnenstrahlung)
3 Schichten unterschiedlicher Ionenverteilung
Stromsystem
66
Auswirkungen der Troposphäre auf EM-Wellen
• Refraktion (Brechung)
• Brechungsindex
– keine Konstante
– Funktion der Temperatur,Druck,Wassergehalt
– Ständige Schwankungen (==Wetter)
• Bewirkt einen Fehler von bis zu 2,3 m
67
Auswirkungen in den Schichten der
Ionosphäre
•
Elektronen in Wechselwirkung mit EM-Welle bewirken Dispersion
•
Dispersion
– Geschwindigkeitsänderung (Verlangsamung)
– Brechungsindex n = c/v ( v= Ausbreitungsgeschwindigkeit)
•
•
•
•
Reflektion (Spiegelung zwischen Schichten)
Refraktion (Brechung)
Frequenzabhängige atmosphärische Dämpfung
Bewirkt Laufzeitfehler (tagsüber bis zu 30m)
68
Auswirkungen in den Schichten der
Ionosphäre
•
D-Schicht
–
–
–
–
unterste Schicht der Ionosphäre
zwischen 60 und 85 km Höhe
existiert nur tagsüber
Elektronenkonzentration relativ
gering (ca. 10² bis 10^4
Elektronen/cm³)
– reflektiert Langwellen sehr gut
69
Auswirkungen in den Schichten der Ionosphäre
•
•
•
E-Schicht
– zwischen 85 bis 140 km
– Elektronenkonzentration tagsüber ca. 10^5, nachts ca. 2 x 10³ Elektronen/cm³
– manchmal Bildung er. sog. Es-Schicht (bis zu 25-fache Elektronenkonzentration )
– Maximum bei ca 105km
F-Schicht
– Elektronenkonzentration bis zu 5 x 10^5 Elektronen/ cm³
– Maximum bei ca 300km
– Besteht aus 2 Teilschichten:
• F1: Entstehung abhängig von der Sonnenaktivität
• F2: permanent vorhanden, enthält Sonnenwindplasma
Frequenzabhängige atmosphärische Dämpfung
70
Warum kann man Radio überall hören?
Vorteilbringende Nutzung der Ionosphärenstörungen
71
Konsequenzen z. B. bei GPS
• Atm. Dämpfungsverhalten legt Verwendung von Mikrowellen nahe
• Frequenz nicht beliebig erhöhbar
– bei f > 2GHz Richtantenne in Empfangseinheit notwendig
• Ionosphärische Verzögerungen bei f>10GHz u. f<100Mhz exterm
hoch
• Auswertung von 2 Trägerfreq. erlaubt Erfassung der Dispersion
• Zwei gewählte Trägerfrequenzen:
– Frequenzbereich im L-Band (1-2GHz)
– Beide aus Grundfrequenz L0 (10,23MHz) durch Multiplikation
generierbar
• L1 = 154 * L0 (1575.42Mhz, Wellenlänge 19,05cm)
• L2 = 120 * L0 (1227.60MHz, Wellenlänge 24,45 cm)
72
Gegenmaßnahmen
• Troposphärischer Fehler
– Nicht eliminierbar
– Annäherung durch allgemeines Modell
• Ionosphärischer Fehler
– Verwendung von Modellen der Elektronenverteilung
• Fehler läßt sich auf 50-60% senken
– Differential GPS
• Verwendung von Referenzstationen
– Station ermittelt Positionsfehler für jeden Satellit
– Station versendet Korrekturdaten
• Verwendung von L1 und L2
– Zweifrequenzempfänger (reserviert fürs Militär)
– Vergleich Ankunftszeiten beider Wellen
– Sog. „ionosphärenfreie Lösung“
73
Quellen
•
Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik, Helmut Lindner,
Fachbuchverlag Leipzig 1999
•
•
•
http://members.aon.at/wrsp/funkausbreitung.htm
http://maite152.upc.es/~manuel/tdgps/node19.html
http://www.geographie.ruhr-unibochum.de/agklima/vorlesung/strahlung/atmostrahl.html
• http://www.iap.uni-bonn.de
• www.desy.de
• www.nasa.gov
74
Das Funkgerät
75
76
77
78
79
2280 Kanäle im 8,33kHz Kanalabstand
80
81
82
83
84
In allen AM-Spektren mit Trägersignal ist die Trägerlinie am höchsten. Der
größte Teil der Sendeenergie wird bei der normalen Amplitudenmodulation
zur Trägeraussendung (PT) benötigt. Der Träger ist ein Hilfssignal und
enthält selber keine Information. Die Leistung im Seitenband (PS) enthält die
Information.
Für m=1 PT= 2/3 Ps PSU=PSO= 1/6 Ps
Ps=gesamt Sendeleistung
85
Amplituden
Modulation
86
Stehwellenverhältnis (Standing Wave Ratio)
Einheit zur Beurteilung der Güte der Antennenanpassung. Damit die
vom Funkgerät erzeugte HF-Energie möglichst ohne Verluste über
die Antenne an die Umgebung abgestrahlt werden kann, muß u.a. die
Antenne in Resonanz mit der Sendefrequenz stehen. Um diese
Anpassung zu messen gibt es das SWR-Meter.
Frequenz 1,8 - 200 MHz. •
Leistung 5 / 20 / 200 Watt
umschaltbar
Nullpunkteichung
Abmessungen: 155 x 100 x
60
87
Überlagerung (rot) aus einer nach rechts vorlaufenden
Welle (blau) und einer nach links reflektierten Welle
(grün). Ein Teil der vorlaufenden Welle wird nach rechts
transmittiert (blau). Das SWR ist 4. Quelle Wikipedia Stehwellenverhältnis
88
Teilweise Reflexion und Transmission eines
Impulses an der sprunghaften Änderung der
Wellenimpedanz. Quelle: Wikipedia
89
SWR = Umax / Umin = ( Uh + Ur ) / ( Uh - Ur)
Prück= [(SWR-1)/(SWR+1)]2 x P
Wobei Prück die zum Sender zurücklaufende Leistung in %
(0 bis 1) ist und das SWR (1 bis unendlich).
Beispiel: Hat man einen SWR von 3 gemessen, so fliessen
25% der Sendeleistung (ein ganzes Watt bei 4Watt
Ausgangsleistung) zurück und müssen von der Endstufe in
Wärme umgesetzt werden. Das kann zur Überhitzung und
damit zur Zerstörung der Endstufe (teuer!) führen.
90
Aufgabe
Die Ausgangsleitung unseres Funkgerätes
beträgt 4 Watt. Wir messen ein SWR von 4.
a) Wieviel Leistung wird reflektiert?
b) Wie groß ist Umax und Umin?
SWR = Umax / Umin = ( Uh + Ur ) / ( Uh - Ur)
Prück= [(SWR-1)/(SWR+1)]2 x P
91
Lösung
Uhin=14 V
Urück=8,6V
Umax=22,6V
Umin=5,4V
92
Anpassungs-Meßaufbau
93
Eine Groundplane-Antenne wird einseitig gegenüber Erde betrieben. Sie
ist eine unsymmetrische Antenne. Diese kann direkt mit dem Koaxkabel
verbunden werden.
94
Funkgeräte – Nachprüfung – Messvorschrift
0. Seriennummer und Typ des Funkgerätes mit dem eingebauten
Gerät und mit der Zuteilungsurkunde der Bundesnetzagentur
vergleichen.
1. Sicherstellen einer Bord-Spannung >11,5 Volt auch während dem
Senden. (Voltmeter)
2. Frequenzgenauigkeit:
max. 800Hz Abweichung
Messgerät: Frequenzzähler mit Genauigkeit 1ppm
3. Empfindlichkeit Empfänger: <10uV
Messgerät: Sender (z.B. Handfunkgerät mit Spezialantenne) Output
ca. 0,5mW mit 20m Abstand auf klaren Empfang testen
95
4. Ausgangsleistung:
Feldstärkemessung im Abstand von 10m
E > 0,8 V/m entsprechend einer abgestrahlten Leistung von ca. 2 Watt.
Messgerät: Feldstärkemesser
z.B. Feldstärkemesser im Frequenzzähler
5. Nachbarkanalunterdrückung:
Mit Messsender (Handfunkgerät) Output 0.5 W in 10m Abstand auf dem
Nachbarkanal senden. Es darf kein Signal hörbar sein.
Alle Messungen jeweils bei 118, 127, 136 MHz
6. Aufbau:
Mechanischer Aufbau Antenne prüfen (Festigkeit, Schwingungen)
Geräteeinbau OK
Keine starken Verzerrungen hörbar
Keine Fremdgeräusche (auch bei laufendem Motor / ACL)
96
97
Avionik-Seite
http://mitarbeiter.hsheilbronn.de/~doneit/Avionik/Avionik.html
98
99
Kabel, HF-Kabel und
Antennentechnik
Kabel für das Flugzeug
Historie des Antennbaus
Dipol
HF-Kabel
Antennenarten
100
Kabel
• Gewichtsarme Kabel - AXALU® CENTRAL CONDUCTOR
Hauptcharakteristika
- versilbertes Aluminium
- Patentierter Produktionsprozess
- Von AWG 38 solide bis AWG 6 in Litzenausführung
- Leitfähigkeit = 63 % IACS (International Annealed Copper Standard)
- Tensile strength=15 daN/mm²
- Temperaturbereich bis + 150°C
- Gewichtsersparnis bis 59 % gegenüber Kupferleitungen
101
AWG Kabelgrößen
102
Eine Antenne ist ein Element, dass elektrische
Energie in elektromagnetische Wellen umsetzt
(Sendeantenne), oder umgekehrt (Empfangsantenne).
Sie ist ein sogenannter Wellentypwandler. Die
Sendeantenne wandelt eine leitungsgeführte Welle in
eine hochfrequente Welle um, welche dann in den
freien Raum abgestrahlt wird.
103
Die Empfangsantenne funktioniert sinngemäß in
umgekehrter Richtung: Umwandlung der hochfrequenten
Welle des freien Raums in eine leitungsgeführte Welle.
Passive Antennen verhalten sich reziprok, zeigen also
sowohl beim Senden als auch beim Empfang gleiche
Eigenschaften. Aktive Antennen sind wegen der
eingebauten Verstärkerelemente nicht reziprok.
104
Historie
Systematische Untersuchungen gehen zurück auf den
deutschen Physiker Heinrich Hertz, die auf den
theoretischen Grundlagen des Engländers James Clark
Maxwell aufbauen. Maxwell benutzte die umfangreichen
Beobachtungen von Faraday und entwickelte daraus
die elektromagnetische Feldtheorie.
Dem Italiener Guglielmo Marconi gelang 1897 erstmalig
die drahtlose Telegraphie, bei der das Morsezeichen "S"
erfolgreich von England über den Atlantik nach
Neufundland übertragen wurde.
105
Mit dem Ausbruch des Ersten Weltkrieges 1914 startete der
eigentliche Beginn der Antennentechnik. Man benutzte
damals die Rahmenantennen als Empfänger. 1925
überbrückte Marconi die Strecke England - Australien. Man
begann auch bereits Richtantennen zu verwenden, und
benutzte den Halbwellendipol als Empfänger.
106
Der logarithmische Maßstab deziBel dB
Ein Bel bezeichnet das Verhältnis 1:10 zweier Leistungen
P1:P2.
P(dB)= 10 x log Pout/Pin
log 10 = 1
log 100 = 2
log 1000 = 3
log 1000 000=6
107
Der logarithmische Maßstab deziBel dB
1:100
20 dB
log100=2
1:10
10 dB
log 10 =1
1: 2
3dB
log 2 = 0,3
1: 1Million = 60dB
log 106 =6
108
Übung
Sie messen am Ausgang eines 5m langen Kabels
die Leistung von 4 W, am Eingang eine Leistung
von 7 W.
Wie stark ist die Dämpfung des Kabels in dB/m
109
Lösung
Pdb
= 10 log (4W/7W) dB
= -10 * 0,24 dB
= -2,4 dB
Pdb /m = -2,4 dB / 5 m = -0,48 dB/m
110
111
112
113
114
115
Antennendiagramm eines Dipols
Ein Antennendiagramm oder
allgemeiner Strahlungsdiagramm
zeigt die Intensität einer
Strahlungsquelle als Funktion der
Richtung. Bei elektromagnetischer
Strahlung gibt es den Betrag der
elektrischen oder magnetischen
Feldstärke in Abhängigkeit des
Raumwinkels wieder.
116
Richtantenne
Nebenkeulendämpfung
Vor-/
Rückverhältnis
Stahlungsbreite
117
Gemessenes
Antennendiagramm
118
Drahtantennen
Der Radiosender Kalundborg in Kalundborg ist ein auch in
Deutschland empfangbarer Radiosender.
Gesendet wird in Kalundborg auf der Langwellenfrequenz 243
kHz mit einer Leistung von 300 Kilowatt und auf der
Mittelwellenfrequenz 1062 kHz mit einer Leistung 150 Kilowatt.
Als Sendeantenne für die Langwelle wird eine an zwei 1927
erbauten, freistehenden, geerdeten Türmen mit dreieckigem
Querschnitt von 118 Meter Höhe, die wie Hochspannungsmaste
aussehen, aufgehängte Drahtantenne verwendet, die an einem
Ende vom Sender gespeist wird und am anderen Ende über eine
Drosselpule geerdet ist (Alexanderson-Antenne). Man kommt
dadurch mit Antennenträgern geringer Bauhöhe aus, als bei
herkömmlichen Langwellenantennen.
119
Radiosender Kalundborg LW
120
Drahtantennen
- Yagi -Antenne
1 Sendeantenne (Dipol), 2 Reflektoren 3Direktoren 4 Speisung
121
122
Reflektorantenne
123
Wellenleiterantennen
Hornstrahler:
Rillenhornstrahler für
3,7 ... 6 GHz mit
einem Übergang auf
Koaxialkabel mit SMAAnschluss
124
Wellenleiterantennen
Schlitzantenne (Umkehrprinzip)
125
Gruppenantennen
Eine Phased-Array-Antenne (Phased Array =
Phasengesteuertes Feld) oder Gruppenantenne ist
eine Richtantenne, die eine Bündelung der
Strahlungsenergie durch die Anordnung und
Verschaltung von Einzelstrahlern erreicht. Wenn sich
die Einzelstrahler unterschiedlich ansteuern lassen, ist
die Phasenantenne elektronisch schwenkbar.
126
127
Magnetische Antennen
Ferritantenne mit Spulensatz für Lang-, Mittel- und
Kurzwelle (Bleistift als Größenvergleich)
128
Magnetische Antennen
Rahmenantenne
129
130
Der Transponder
Historie
Primärradar
Funktion
Mode-S
131
Primärradar
Die Radartechnik wurde während des Zweiten
Weltkrieges entwickelt. Kräftige elektromagnetische
Impulse (im Bereich von einem Megawatt) werden von
einer Bodenstation ausgesandt, vom Luftfahrzeug
reflektiert und von derselben Radarantenne am Boden
wieder empfangen. Dieses Verfahren, welches man
Primärradar nennt, funktioniert gut mit Luftfahrzeugen in
Metallbauweise oder welchen, die wenigstens einen
Motor an Bord haben.
132
Radio Aim Detecting And Ranging
R = Entfernung zum
Flugziel
c = Lichtgeschwindigkeit
t = Zeit
133
Bestimmung der Flughöhe
Erdkrümmung !!!
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Die Radargleichung
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Rückstrahl-Charakteristik eines StealthBombers (Wickipedia)
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Der Sekundär - RADAR
Die Nachteile des Primär-RADARs hat man
durch die Entwicklung des Sekundärradars
überwunden. Die Flugzeuge wurden mit einem
Sekundärradar-Antwortgerät (Transponder)
ausgestattet, welches aktiv auf den Radarstrahl
vom Boden antwortet. Diese Verfahren nennt
man SSR (Secondary Surveillance Radar).
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Mode A und A/C
Der Mode-A-Transpoder sendet beim
Beantworten des Radarstrahls einen
vorher von der Flugsicherung
zugewiesenen ("sqawk") und vom Piloten
am Gerät eingestellten Code zurück. Der
Mode-A/C-Transponder sendet zusätzlich
zum vierstelligen Code auch noch die
aktuelle Höhe über der Druckfläche
1.013,2 hPa zur Bodenstation (100ft
Auflösung)
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Nun kann der Fluglotse nicht nur jeden Punkt
auf dem Radarschirm eindeutig einem
Flugzeug zuordnen, sondern er weiß auch, in
welcher Flughöhe es sich befindet (Mode C).
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Abfrage-Codierung
Bodenfunkstelle
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Antwort: Kennung oder Flughöhe im Oktalcode
SPI - Impuls nur bei Ident-Funktion
Verwendete Frequenzen:
bei der Abfrage auf 1030 MHz
bei der Antwort auf 1090 MHz
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Grenzen des Mode A/C durch Zunahme des
Luftverkehrs
Schon heute reichen die 4.096
Codekombinationen nicht mehr aus, um den
stetig zunehmenden Luftverkehr in
Ballungszentren abzuwickeln. Zusätzlich gibt es
in Lufträumen, in denen viele Flugzeuge
unterwegs sind, ein ganz spezielles Problem des
herkömmlichen Transponders.
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Der von der Bodenstation ausgestrahlte Radarstrahl hat
einen Öffnungswinkel von drei Grad. Das bedeutet, dass
Luftfahrzeuge, die dicht zusammenfliegen oder an
gleicher Position in unterschiedlicher Höhe sind, nahezu
gleichzeitig auf das Signal vom Boden antworten. Eine
Vermischung der Antwortsignale, die von der
Flugsicherung nun nicht mehr ausgewertet werden
können, ist die Folge. Man nennt dieses Problem FRUIT
"False Replies Unsynchronous in Time", welches
natürlich bei jeder Umdrehung der Radarschüssel auftritt.
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Mode S
Beide Probleme werden durch den
neu entwickelten Mode S (S steht
für "selektiv") behoben. Statt des
von der Flugsicherung bei jedem
Flug zugewiesenen vierstelligen
Codes bekommt jedes Flugzeug
einen weltweit einmaligen Code,
die so genannte ICAO-24-BitAdresse, fest einprogrammiert. Die
Höhendaten werden mit einer
Auflösung von 25ft gesendet.
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Das FRUIT Problem:
Die Bodenstationen senden nun zwei unterschiedliche Signale
aus. Ein All-Call-Signal und eines, mit dem einzelne
Flugzeuge selektiv abgefragt werden können. Wird nun ein
Flugzeug mit seinem Mode-S-Transponder von einer
Bodenstation getroffen so antwortet der Transponder nur auf
das All-Call-Signal. Danach ist das Flugzeug der Bodenstation
bekannt (ICAO-Kennung), und wird nun nach Bedarf mit dem
Roll-Call abgefragt, wenn Daten benötigt werden.
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Innerhalb des Mode S wird nochmals zwischen
zwei verschiedenen Modi unterschieden:
Übermittelt der Transponder nur die ICAO-24-BitAdresse und die Höhe, wie im Luftsport üblich, so
spricht man vom "Elementary Mode". Die Länder
Frankreich, Deutschland und Großbritannien führen
zusätzlich für Luftfahrzeuge mit einer MTOW größer 5,7
t und einer Reisegeschwindigkeit größer 250 kts den so
genannten "Enhanced Mode" ein. Bei diesem Mode
werden zusätzliche Parameter wie Fluggeschwindigkeit,
Steig- beziehungsweise Sinkrate sowie Kurs übermittelt.
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• All-call
– Spezielle 24 Bit Adresse ( FFFFFF hex)
– Alle Flugzeuge antworten
• Roll-call
– Eindeutige 24 Bit Adresse
– Ein Flugzeug antwortet
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LAST - Light Aviation Secondary Surveillance
Radar (SSR) Transponder
Wesentliche Probleme beim Einsatz von Transpondern in
Segelflugzeugen oder Luftsportgeräten (UL´s) sind das
Gewicht und der Stromverbrauch des Geräts. Für
Kleinluftfahrzeuge wurden daher Geräte mit geringerer
Sendeausgangsleistung (71 Watt) entwickelt. Bedingt durch
die Leistungsklasse 2 dürfen sie nur in Luftfahrzeugen
verwendet werden, die nicht oberhalb einer Höhe von 15.000
Fuß betrieben werden und deren maximale
Reisegeschwindigkeit nicht mehr als 175 kts (324 km/h)
beträgt. Derzeit ist nur die Firma Filser mit einem Mode-STransponder gemäß LAST-Standard auf dem Markt.
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• Grundüberwachung
• Erweiterte Überwachung
– Fluggeschwindigkeit
– Steig- / Sinkrate
– Position
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Mode S - Antwort
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Kollisionsvermeidung TCAS
Abrage 1mal/sec
Transponder
Mode-S
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Transponderpflicht
Welche Luftfahrzeuge in welchen Lufträumen mit
einem Transponder ausgerüstet sein müssen, regelt
die Flugsicherungsausrüstungsverordnung (FSAV).
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FSAV
Alle Luftfahrzeuge (Flugzeuge, Hubschrauber, Luftschiffe, Segelflugzeuge,
Motorsegler, Frei- und Fesselballone, Drachen, Flugmodelle und
Luftsportgeräte) mit einem Transponder ausgerüstet sein, wenn sie die
folgenden Lufträume nutzen wollen:
1. Lufträume der Klasse C sowie D (nicht Kontrollzone)
2. Lufträume mit vorgeschriebener Transponderschaltung
(Transponder Mandatory Zone - TMZ)
3. kontrollierten Luftraum bei Nacht
4. motorgetriebene Luftfahrzeuge, ausgenommen in der Betriebsart
Segelflug, oberhalb 5.000 ft über NN oder oberhalb einer Höhe
von 3.500 ft über Grund, wobei jeweils der höhere Wert
maßgebend ist
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Zuteilung der 24-Bit-Adresse
Die ICAO-24-Bit-Adresse darf nur von einem
Luftfahrttechnischen Betrieb (LTB) in den Mode-STransponder eingegeben werden ?????
Es empfiehlt sich also, die 24-Bit-Adresse rechtzeitig zu
beantragen, so dass sie direkt vom Hersteller oder dem
einrüstenden LTB einprogrammiert werden kann.
Zuständig für die Zuteilung der Adresse sind das
Luftfahrt- Bundesamt (LBA), Abteilung
Verkehrszulassung. Bei Luftsportgeräten die beauftragten
Luftsportverbände DAeC oder DULV.
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Tanspondertester
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..\..\AvionikMessung\Prüfung_F
ormular\AvionikPrüfung_1.pdf
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