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 !!! 134 Die Radargleichung 135 Rückstrahl-Charakteristik eines StealthBombers (Wickipedia) 136 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). 137 138 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) 139 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). 140 Abfrage-Codierung Bodenfunkstelle 141 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 142 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. 143 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. 144 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. 145 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. 146 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. 147 • All-call – Spezielle 24 Bit Adresse ( FFFFFF hex) – Alle Flugzeuge antworten • Roll-call – Eindeutige 24 Bit Adresse – Ein Flugzeug antwortet 148 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. 149 • Grundüberwachung • Erweiterte Überwachung – Fluggeschwindigkeit – Steig- / Sinkrate – Position 150 Mode S - Antwort 151 Kollisionsvermeidung TCAS Abrage 1mal/sec Transponder Mode-S 152 Transponderpflicht Welche Luftfahrzeuge in welchen Lufträumen mit einem Transponder ausgerüstet sein müssen, regelt die Flugsicherungsausrüstungsverordnung (FSAV). 153 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 154 155 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. 156 157 Tanspondertester 158 159 160 ..\..\AvionikMessung\Prüfung_F ormular\AvionikPrüfung_1.pdf 161
