4.3 Frequenzen und Antennen
Frequenzbereiche
In der Satellitenfunknavigation gibt es zwei international gültige Einteilungen von Frequenzbereichen:
- die Einteilung nach sog. Dekaden (Vielfach-10'ner Teilsegmente)
- die Einteilung nach Bändern
Die Einteilung nach Dekaden (Tab. 4.3.1) findet in der allgemeinen (digitalen) Informationsübertragung Anwendung (Rundfunk, Fernsehen) und ist historisch begründet: Die der Bänder in Bereichen für Frequenzen oberhalb 200 MHz entstand in nerhalb der echten Ortungsmethoden (Tab. 4.3.2) . Letztere leitet sich aus der Mikrowellen-Radarortung ab und wird deshalb auch Radarbandeinteilung genannt.
Tab. 4.3.1: Einteilung der Frequenzen in der Kommunikationstechnik mit allgemeinem Charakter (Mansfeld, 1998)
| Frequenz: | Wellenlänge: | ||
| Art | Bereich | Art | Bereich |
| Very Low Frequency (VLF) | < 30 KHz | Längstwellen (SLW) | > 10.000 m |
| Low Frequency (LF) | 30 - 300 KHz | Langwellen (LW) (RTCM) | 1.000 - 10.000 m |
| Medium Frequency (MF) | 300 - 3.000 KHz | Mittelwelle (MW) | 100 - 1.000 m |
| High Frequency (HF) | 3 - 30 MHz | Kurzwelle (KW) | 10 - 100 m |
| Very High Frequency (VHF) | 30 - 300 MHz | Ultra- Kurzwelle (UKW) | 1 - 10 m |
| Ultra High Frequency (UHF) | 300 - 3000 MHz (GPS) | Dezimeter Welle (dm-W) | 10 - 100 cm |
| Super High Frequency (SHF) | 3 - 30 GHz | Zentimeter-Wellen (cm-W) | 1 - 10 cm |
| Extremely High Frequency (EHF) | 30 - 300 GHz | Millimeter-Welle (mm-W) | 1 - 10 mm |
Tab. 4.3.2: Einteilung der Frequenzbänder für die Funkortung (Radarbänder) (Mansfeld, 1998)
| Art | Frequenz | Wellenlänge |
| P-Band | 220 - 300 MHz | 115 cm |
| L-Band (GPS) | 1 - 2 GHz | 20 cm |
| S-Band | 2 - 4 GHz | 10 cm |
| C-Band | 4 - 8 GHz | 5 cm |
| X-Band | 8 - 12,5 GHz | 3 cm |
| Ku-Band | 12,5 -18 GHz | 2 cm |
| K-Band | 18 - 26,5 GHz | 1,35 cm |
| Ka-Band | 26,5 - 40 GHz | 1 cm |
Die GPS-Frequenzen fallen in das sog. L-Band und werden folgerichtig als L1 (1575,42 MHz) und L2 (1227,60 MHz) bezeichnet. Für jedes Funkortungssystem ist die Wahl des passenden Frequenzbereiches von zentraler Bedeutung. Die Kriterien zur Auswahl sind nach Mansfeld (1998) folgende:
- möglicher Einfluß auf Ausbreitungserscheinungen
- optimale technischen Eignung hinsichtlich der Funktionalität
Die möglichen Ausbreitungserscheinungen sind für das GPS-Navigationssystem die wesentlichen Faktoren der Frequenzwahl. Die Zuteilung und Nutzung der Frequenzen erfolgt nach Absprache mit der Internationalen Fernmelde-Union (Itern. Telecom. Union = ITU) und der Welt-Funk-Konferenz (World Radio/Telecom. Conf. = WRC). Auch die Funkdienste und Frequenz-Zuweisungen für Satellitenortungssysteme und deren Hilfsdienste orientieren sich an den Konventionen der ITU. Sie werden allgemein Navigationsfunkdienste über Satelliten genannt ( NFS ) und sind nur ein Bestandteil (Tab. 4.3.3) unterschiedlichster Funknavigationsdienste weltweit (wenn auch einer der Wichtigsten!).
Tab. 4.3.3: Auswahl einiger weltweiter und lokaler Frequenzbänder zur Funknavigation (Punkte = GPS-Dienste, P = Priorität), W-E = Weltraum-Erde, B= beweglich, S= Seefunk, L= Landfunk … (Mansfeld, 1998)
Antennen
Bei der Wahl von Sende- und Empfangsfrequenzen sind auch die technischen Anforderungen für die Antennen des Senders und des Empfängers zu berücksichtigen. Über die Grundzusammenhänge (so wie in Kap. 4.2 geschildert) hinaus gilt, daß im GPS auf Senderseite Antennen mit mehr oder minder großer Richtwirkung (Richtantennen) und auf der Empfängerseite Antennen mit Flächenwirkung innerhalb der gesamten Hemisphäre eingesetzt werden. Richtwirkung beinhaltet immer einen effektiven Gewinn bzgl. der Sendestrahlungsleistung. Antennen mit Richtwirkung werden auf der zivilen Empfängerseite fast nur in Blickrichtung geostationärer Satelliten eingesetzt (z.B. TV-Sat-Anlagen, Telekomunikation).
Die Angabe der Kennwerte erfolgt konventionell aus dem Blickwinkel einer Sendeantenne, wobei die wichtigsten zwei Kenngrößen die Form der Strahlungs- oder Richtcharakteristik und die Größe des Antennengewinns sind. Die Breite der Strahlungscharakteristik wird durch die Halbwertswinkel (α) angegeben (Abb. 4.3.1); dies ist der Winkel, an dessen Begrenzung nur noch die Hälfte der Sendestrahlung in Verhältnis zur Hauptstrahlrichtung (Antennenachse) erreicht wird (d.h. entspricht einer Dämpfung von ca. 3 dB).
Betrachtet man eine Flächenantenne (z.B. eine Parabolantenne) mit rotationsysmmetrischer Strahlungscharakteristik, dessen Halbwertswinkel in etwa folgende Größe hat, gilt: α= 57° = λ/ q 0,5 D = c / q 0,5 f D
wobei c = Lichgeschwindigkeit, λ = Wellenlänge (m), f = Frequenz, q = Flächenwirkungsgrad d. Antenne (ca. 0,6 - 0,7) und D = Spiegeldurchmesser sind.
Abb. 4.3.1: Richtcharakteristik einer Flächenantenne (Mansfeld, 1998)
Antennen mit kleinen Halbwertswinkeln werden als Richtantennen bezeichnet. Der Antennengewinn solcher Antennen ist der Faktor, um den die in der Hauptachse ausgestrahlte Sendeleistung gegenüber einer Vergleichsantenne mit Kugelabstrahlung höher liegt. Er ist proportional zur Antennenfläche (vgl. Kap. 4.2) und bei Parabolantennen gleich: D = 4 π q A / λ2
Dabei gilt für die Antennenfläche : A = D 2 π/ 4
Flächenantennen (besonders Parabolspiegelantennen ) werden bevorzugt in Satelliten und von der entsprechenden Kontrollstation eingesetzt. Die Nutzer-Empfangsanlagen des GPS verfügen hingegen über richtungsunabhängige Antennen, wie Stäbe, Schlitze, Wendel oder Scheiben (vgl. Kap. 4.1)