FLARM-Antennen

Im Folgenden werden die bekanntesten Antennentypen für das FLARM verglichen und ihre unterschiedlichen Charakteristiken bezüglich räumlicher Abdeckung und Reichweite herausgearbeitet. Die untersuchten Antennen sind:

• Zahnstocher: wird mit dem Classic-FLARM ausgeliefert
• YAGI: Antenne mit extremer Richtwirkung
• FAnt: Dipol-Antenne mit schwacher Richtwirkung (Reichweitenverbesserung gegenüber der Zahnstocher-Antenne)
• SuperFAnt: Dipol-Antenne nahezu ohne Richtwirkung und weiterhin verbesserter räumlicher Abdeckung gegenüber der FAnt

Bezüglich der Auswahl und der Montage einer Antenne für das FLARM lassen sich eine Vielzahl von Daten aus der Antennentheorie ableiten. Keine Sorge - es kommen keine Formeln und kaum Fachbegriffe vor!

Eine Antenne strahlt die vom Sender (in unserem Falle dem FLARM) erzeugte Sendeleistung als elektromagnetische Welle in den Raum ab. Entsprechend empfängt sie elektromagnetische Wellen von anderen Sendern und wandelt diese in ein elektrisches Signal um, welches der Empfänger (FLARM) weiter verarbeitet. Dabei sind alle Charakteristika einer Antenne unabhängig davon, ob gesendet oder empfangen wird und deshalb erfolgt dahin gehend im Weiteren keine Unterscheidung.

Die Antenne, die typischerweise zum Vergleich mit einer zu untersuchenden Antenne herangezogen wird, ist der sogenannte Isotropenstrahler. Die Bauform einer solchen Antenne ist nicht weiter von Interesse - nur ihre Fähigkeit, die Sendeleistung gleichförmig in alle Richtung des Raums abzustrahlen. Aufgrund der Richtungsunabhängigkeit spricht man auch von einer Antenne ohne Richtwirkung (Omnidirektionale Antenne).

Will man nun die Reichweite einer Antenne erhöhen, so bleiben letztlich zwei Möglichkeiten: Die Erste ist die Erhöhung der Sendeleistung. Im Falle des FLARM ist die Sendeleistung durch gesetzliche Vorgaben limitiert, um andere Funkdienste nicht zu stören. Entsprechend kann diese Möglichkeit nicht (legal) genutzt werden. Die zweite Möglichkeit besteht in der Nutzung einer Antenne mit Richtwirkung.

Eine Richtwirkung bedeutend nichts anderes, als das die Sendeenergie in einer Richtung gebündelt wird. Dabei bleibt die Sendeleistung gleich - da aber mehr Sendeenergie in eine Raumrichtung abgestrahlt wird, steigt die Reichweite in diese Richtung. Gleichzeitig sinkt die Sendeleistung und damit die Reichweite aber in einer anderen Raumrichtung.

Man kann sich den Unterschied zwischen einem Isotropenstrahler und einer Antenne mit Richtwirkung folgendermaßen veranschaulichen: Man stelle sich einen (ideal kreisförmigen) Luftballon vor. Die Füllung bzw. der Durchmesser entspricht der Sendeleistung in einem bestimmten Abstand zur Antenne. Drückt man nun diesen Ballon in der Mitte zusammen, so wird die verdrängte Luft ober- und unterhalb der Hand den Ballon ausbeulen. Die Gasmenge (Sendeleistung) ist konstant, nach oben und unten ist aber eine Richtwirkung, damit eine vergrößerte lokale Sendeleistung und Reichweite entstanden. Im Bereich, in dem die Hand den Ballon gedrückt hält, hat die Sendeleistung und Reichweite dafür abgenommen.

Für eine maximale Reichweite könnte man die Sendeleistung in genau eine Raumrichtung (beim Flugzeug z.B. nach vorne in Flugrichtung) abstrahlen. Es gibt Antennen, die diesem Ideal nahe kommen - diese werden YAGI-Antenne genannt. Beim FLARM würde das bedeuten: ein möglicher Kollisionsgegner genau von vorne wird in maximaler Reichweite erkannt. Kommt er aber mehr von oben oder unten oder sogar von hinten, würde das FLARM diesen nicht detektieren.

Für die zweite Anwendung des FLARM - Thermikfinder - ist eine solch starke Richtwirkung ebenfalls nur zum Teil zuträglich. Zwar würde man ein kreisendes Flugzeug weit vor dem eigenen Flugzeug sehen können - allerdings eben nur genau nach vorne. Wenn man zum Zeitpunkt der Thermiksuche selbst im Kreisflug ist und die Antennenachse nicht auf das andere Flugzeug ausgerichtet ist, wird man das Signal nicht empfangen können.

Insgesamt muß man also zwischen Reichweite und räumlicher Abdeckung abwägen. Bei konstanter Sendeleistung (FLARM) können niemals beide Parameter maximiert werden!

Als bester Kompromiss für das FLARM kann beim Empfang eine Antenne mit schwacher Richtwirkung nach vorne und ansonsten gleichmäßiger räumlicher Abdeckung gesehen werden. Dies folgt aus der größten Kollisionsgefahr in Flugrichtung (Aufgrund der Fluggeschwindigkeit und des damit zurückgelegten Weges) und sonst gleichmäßig in der näheren Umgebung rund um das Flugzeug verteilte Kollisionsgefahr - da von jeder Richtung theoretisch ein Flugzeug auf Kollisionskurs kommen könnte. Für die Abstrahlung des Positionssignals aus dem eigenen Flugzeug gilt eine analoge Verteilung.

Unter diesen Gesichtspunkten werden nun die FLARM-Antennen Zahnstocher, HB9CV, YAGI, FAnt und SuperFAnt-Antenne verglichen. Dazu dienen im Wesentlichen zwei Parameter, welche man entweder durch Messung oder durch numerische Berechnung ermitteln kann (z.B. mit EZNec): Antennengewinn und Strahlungsdiagramm.

Antennengewinn und Strahlungsdiagramm

Wie bereits erläutert, erfolgt die Bewertung einer Antenne durch den Vergleich mit einem Isotropenstrahler. Man gibt dabei an, wie viel höher (oder niedriger) der maximale Antennengewinn einer Antenne ist. Dabei erfolgt die Angabe in der Einheit Dezibel (kurz dB). Hat eine Antenne beispielsweise einen um 2 dB höheren Gewinn als der Isentropenstrahler, so liegt der Leistungsgewinn bei 10^(2 dB/10) ~ 1.58 und damit der Reichweitengewinn in der Abstrahlrichtung des maximalen Gewinns bei ca. 158 %.

Allerdings sagen die Antennengewinne bzw. die maximalen Reichweiten nur aus, wie stark der Gewinn ist - nicht aber, in welcher Richtung er zu erwarten ist.

Um die Richtungsinformation zu bekommen, greift man auf das Strahlungsdiagramm einer Antenne zurück. Dazu trägt man die räumliche Verteilung der Strahlungsintensität auf und normiert diese auf den maximalen Antennengewinn. In nebenstehenden Bild ist dies für den Zahnstocher erfolgt. Das Bild zeigt dabei einen vertikalen Schnitt durch die senkrecht stehende Antenne. Man sieht, das das Diagramm das Maximum (äußerer Kreis mit 0 dB) bei ca. 30 Grad Erhebungswinkel erreicht. Geht man weiter über die Antenne, so geht die Sendeleistung zurück, direkt über der Antenne liegt diese bei Null. Das bedeutet auch für das FLARM, ein Flugzeug genau über dem Zahnstocher kann (theoretisch) nicht empfangen werden bzw. dieses Flugzeug wird unsere Positionsangabe nicht empfangen können.

FLARM-Antenne Zahnstocher

Die Zahnstocher-Antenne wird mit den FLARMs ausgeliefert - es handelt sich dabei um einen Lambda/4-Stab (Lambda ist die Wellelänge der Funkwellen, beim FLARM ca. 35 cm), siehe nebenstehendes Bild. Dieser benötigt zum Betrieb eine Massefläche, welcher unterhalb der Antenne liegt. Im Falle einer auf dem Erdboden installierten Antenne übernimmt diese Funktion der Erdboden, hier liegt also eine unendliche große Massefläche vor. Im Flugzeug besteht aber genau bei der Massefläche das große Problem: Es liegt keine ausreichende Massefläche vor! Selbst in einem Flugzeug aus Metall wäre die (maximale) Reichweite des Lambda/4-Strahlers gegenüber der Isentropenstrahlers merklich herabgesetzt. Im Falle des FLARM wird die Massefläche für den Zahnstocher durch eine auf der Platine aufgebrachte (und damit konstruktionsbedingt relativ kleine!) Massefläche erzeugt. Für die hier gezeigte Modellrechnung wurde eine (gegenüber dem Classic-FLARM vergrößerte Massefläche mit einem Durchmesser von 25 cm angenommen

Im Bild ist die räumliche Verteilung des Antennengewinns dargestellt. In diesem Bild kann man bereits erkennen, das der Zahnstocher seine maximale Reichweite oberhalb der Horizontes erreicht und nach oben keine Abdeckung bietet. Für den Vergleich der Antennen besser geeignet sind zwei Schnitte durch diese Verteilung: ein vertikaler Schnitt (gibt die Abdeckung nach vorne / hinten und oben / unten an) und ein horizontaler Schnitt (in der Höhe des größten Gewinnes, gibt die Abdeckung nach vorne / hinten und links / rechts an). Im Bild ist die vertikale Verteilung des Antennengewinnes gezeigt - sie nimmt hier die Form eines auf der Seite liegenden Bs an.

Der Raumbereich, in dem die Antenne Signale empfangen kann bzw. in den sie Signale abstrahlt, kann man für eine FLARM näherungsweise folgendermassen ermitteln: alle Richtungen, in denen der Gesamtgewinn größer als -10 dB ist (0.1 von einem Isotropenstrahler), werden von der Antenne abgedeckt. Entsprechend zeigen die roten Balken am Rand des Diagrammes, das die Antenne beginnnend etwas über dem Horizont bis etwa 70 Grad über diesen andere Flugzeuge mit FLARM dedektieren kann. Weiter nach oben ist die Antenne hingegen blind. Entspechend würde etwa beim Hangflug ein Flugzeug oberhalb des eigenen Flugzeuges nicht vom FLARM angezeigt werden. Gleichzeitig geht aus dem Bild hervor, das der Zahnstocher ca. 20 Grad über dem Horizont seine maximale Reichweite erreicht. Anmerkung: Natürlich existieren bei einer realen Antenne keine harten Übergänge zwischen empfangen und nicht empfangen - bei Bereichen kleiner -10dB reicht die Empfindlichkeit des FLARM aber nicht mehr zu Dedektion aus. Auch wird in diesem Raumbereich so wenig Sendeleistung abgestrahlt, das andere FLARMs dort nichts mehr empfangen. Dabei spielt auch die Entfernung der beiden Flugzeuge eine Rolle: ist der Abstand sehr gering (z.B. < 50m) kann trotz eines Gewinnes kleiner -10 dB noch ein Kontakt zu stande kommen - allerdings ist der Abstand der beiden Flugzeuge dann auch so klein, das keine Zeit mehr zu einer Reaktion der Piloten bleibt.

Die Modellrechnung zeigt weiterhin, das unterhalb des Horizontes keinerlei Abdeckung vorliegt. Bei einer realen Zahnstocher-Antenne mit kleiner Massefläche ist dort eine schwache Empfindlichkeit vorhanden - diese hat aber keine große Reichweite.

In der horizontalen Ebene (der maximalen Reichweite 20 Grad über dem Horizon) hat der Zahnstocher eine kreisförmige Verteilung - entsprechend werden dort die Signale aus allen Richtungen gleich gut empfangen. Die Abdeckung in genau dieser Ebene ist also optimal. Letztlich ist das auch die horizontal Ebene, die das FLARM-Reichweitentool angezeigt. Dort werden alle Kontakte (egal wo im Raum) hinsichtlich ihres horizontalen Abstandes bewertet und das jeweilige Maximum in horizontaler Richtung angezeigt. Entsprechend sagt das Reichweitentool NICHTS uber die vertikale Verteilung aus und gibt auch nur horizontale Ebene wieder, in der die Antenne ihr Maximum erreicht. Am Beispiel des Zahnstochers bedeutet das, das wenn das Reichweitentool rundum eine Reichweite von 5 km anzeigen würde, ein Flugzeug 40 Grad über dem Horizont (genauer der horizontalen Ebene der Antenne) möglicherweise nur noch in nächster Nähe dedektiert werden kann.

YAGI Antenne

Die YAGI-Antenne ist hier der Vollständigkeit halber genannt. Wie aus den Strahlungsdiagrammen hervorgeht, erzielt diese (je nach Ausführung und Anzahl der Elemente, hier 19) einen signifikaten Gewinn nach vorne. Wie aus der Tabelle hervorgeht, würde eine YAGI-Antenne mit 19 Elementen 3000% Reichweitengewinn nach vorne erreichen. Die im Beispiel oben mit der FAnt-Antenne erzielten 8.2 km würden damit zu 150 km. Allerdings wird dieser Wert in der Realität aufgrund der Dämpfung und Beugung der Funkwellen in der Atmosphäre nicht erreicht.

Weiterhin ist die maximale Reichweite nur in einem ganz kleinen Bereich nach vorne erzielen. Das bedeutet auch, wenn der Kollisionsgegner oder die aufzuspürende Thermikboje nicht genau in diesem kleinen Bereich liegt, wird das FLARM sie nicht detektieren! Kommt also ein Flugzeug z.B. von schräg unten auf unser Flugzeug so, so wird das FLARM nicht oder erst im allerletzten Moment Alarm schlagen - entsprechend auch im anderen Flugzeug.

Eine YAGI-Antenne in Verbindung mit dem FLARM ist deshalb eher ein theoretischer Fall und für den Flugbetrieb nur bedingt geeignet. Reduziert man die Anzahl der Elemente an der YAGI-Antenne, so nimmt die Richtwirkung ab und gleichzeitig die räumliche Abdeckung etwas zu. Es bleibt aber bei einer signifikanten Bündelung der Empfindlichkeit nach vorne.

FLARM-Antenne FAnt

Wie aus der Analyse der Zahnstocher-Antenne hervorgeht, hat diese drei Schwächen, welche man durch eine verbesserte Antenne tilgen möchte: schlechte räumliche Abdeckung (nach unten und auch in Flugrichtung, da die Hauptachse ca. 20 Grad über dem Horizont liegt), Abhängigkeit der maximalen Reichweite von der Größe der Massefläche und eine insgesamt eher kleine Reichweite.

Dazu wird der Zahnstocher-Antenne des FLARM (sog. Lambda/4-Strahler) ein unterer Antennenast hinzugefügt, welcher die Massefläche ersetzt und damit die Abhängigkeit der Zahnstocher-Antenne beseitigt. Ebenfalls verändert wird der Anschluss der Zuleitung (sog. Speisung) und die Einkoppelung der Antennenäste selbst. Es entsteht ein spezielles Dipol mit der Wellenlänge Lambda/2. Diese Antenne wird als FLARM-Antenne FAnt bezeichnet.

Die beiden Strahlungsdiagramme zeigen mehrere Merkmale: Die Antenne strahlt nach oben und unten. Dabei ist ober- und unterhalb der Antenne (Ausrichtung der Antenne wie im Bild) ein deutlich ausgeprägter Bereich, in dem die Antenne keinen Gewinn zeigt. Ihr Strahlungsmaximum erreicht die Antenne in der horizontalen Ebene. Einsprechend wird die Antenne senkrecht stehend im Cockpit montiert und hat ihr Maximum dann in der horizontalen Ebene des Rumpfes, welcher (normalerweise) die Flugrichtung mit einschließt.

Aus obiger Tabelle geht hervor, dass der Antennengewinn gegenüber dem Isotropenstrahler 2.11 dB beträgt und damit gegenüber dem Zahnstocher eine Verbesserung von etwa 163% zu erwarten ist - eine optimale Installation der Antenne vorausgesetzt. Nimmt man Beispielsweise für den Zahnstocher eine Reichweite von 5 km an, so liegt diese bei der FAnt bei 8.2 km. Da beim Zahnstocher, wie bereits diskutiert, die Massefläche zu klein ist, kann man von einer weiteren Steigerung bis auf ca. 10-12 km ausgehen.

Durch die erhöhte Reichweite und die verbesserte räumliche Abdeckung wird der Sicherheitsgewinn durch das FLARMs gesteigert, weil ein potenzieller Kollisionspartner früher und aus allen Richtungen vom FLARM erkannt werden kann. Neben der Sicherheitssteigerung kann das FLARM auch effizienter als "Thermiksensor" genutzt werden.

In nebenstehendem Bild ist die typische Montage der Antenne (rot) im Cockpit mit Zuleitung (schwarz gestrichelt) gezeigt. Wichtig ist die senkrechte Ausrichtung der Antenne in Bezug auf das Flugzeug.

Die Antenne hat neben der erhöhten Reichweite und der verbesserten räumliche Abdeckung folgende weiteren "Features":

• Optimaler Schutz gegen Überspannungsschäden am FLARM, da die Antenne aufgrund ihrer Konstruktion einen "Ohmschen" Kurzschluss darstellt und sich damit zwischen dem Sender/Empfänger und der (Flugzeug-)Masse keine Spannungen aufbauen können - im Gegensatz zum Zahnstocher, der nur isoliert ist und einen unendlich hohen ohmschen Widerstand darstellt.
  
• Die Kabellänge wird individuell an die jeweilige Einbausituation angepasst. Damit werden zusätzliche Dämpfungen durch zu lange Kabel vermieden, welche bei den relativ hohen Frequenzen des FLARM (868 MHz) signifikante Werte erreichen können. Damit wird die Reichweite des FLARM ebenfalls verbessert.
  
• Die senkrechte Montage der Antenne FAnt sichert optimale Kommunikation mit anderen FLARMs.
  
• Die Antenne erreicht ein Stehwellenverhältniss von 1.1 - 1.3 und damit eine sehr hohe Güte (96% - 87% der Energie wird gesendet/empfangen).
  
• Der Antennentyp ist eine Hochleistungsantenne, geht zurück auf eine militärische Entwicklung im zweiten Weltkrieg und ist in Amateurfunkkreisen sehr weit verbreitet.
  
• Abmessungen: jeder Schenkel ca. 9 cm lang
  
• Stecker: Hochwertiger 90-Grad SMA-Stecker (zur Montage auch unter engen Instrumenten-Pilzen)
  
• Kabel: Hochwertiges RG-174 Kabel mit geringer Dämpfung.
  

FLARM-Antenne SuperFAnt

Mit der FLARM-Antenne FAnt sind damit alle Nachteile der Zahnstocher-Antenne beseitigt - bis auf den Einbruch der Sendeleistung senkrecht nach oben und unten - siehe entsprechende Strahlungsdiagramme.

Da die Reichweite der FAnt bei optimaler Antenneninstallation mehr als ausreichend ist, soll nun durch geringfügige Reduktion der maximalen Reichweite die Abdeckung nach oben und unten deutlich verbessert werden. Dies spielt sowohl beim Geradeausflug eine Rolle - auch hier könnten mögliche Kollisionspartner von oben oder unten kommen. Allerdings befindet sich ein Segelflugzeug eine nicht unerhebliche Zeit des Fluges im Kreisflug - dort nimmt gegenüber dem Geradeausflug der Anteil von möglichen Kollisionspartnern von oben oder unten zu.

Um diese Probleme zu beheben, wurde die FAnt-Antenne so modifiziert, dass beide Schenkel unter einem Winkel von 90 Grad stehen (Anmerkung: daneben einige Modifkation in der Art der Einspeisung der Sendeleistung). Diese Antenne wird als SuperFAnt-Antenne bezeichnet. Durch die Montage unter einem Winkel von 90 Grad haben zwar beide Schenkel ebenfalls jeweils den genannten blinden Fleck in ihrer Achsrichtung, allerdings werden diese nun durch den jeweils anderen Schenkel weitestgehend aufgehoben. Dies führt gegenüber der FAnt-Antenne zu einer ausgeprägteren Kugelcharakteristik der Antenne- vergleiche neben stehende Strahlungsdiagramme.

Bezüglich der maximalen Reichweite geht aus obiger Tabelle gegenüber dem Zahnstocher ein Gewinn von etwa 148% hervor. Gegenüber der FAnt erfolgt eine Reduktion der Reichweite von etwa 10% - ein im realen Flugbetrieb kaum merklicher Wert, der aber die Abdeckung nach oben und unten deutlich verbessert hat.

Die SuperFAnt-Antenne bietet damit den optimalen Schutz sowohl vor einer Kollision (mit potenziell hoher Annäherungsgeschwindigkeit) aus horizontaler Richtung als auch (mit potenziell niedriger Annäherungsgeschwindigkeit) von oben oder unten.

Ein weiterer nicht unerheblicher Vorteil bei der Installation einer SuperFAnt-Antenne: Die Störung der Reichweite durch im Cockpit vorhandene leitfähige Flächen (siehe Installationshinweise) führt zu Reichweiteneinbrüchen in den entsprechenden Raumrichtungen. Dadurch, dass die SuperFAnt den kompletten Raum fast gleichmäßig "ausleuchtet", fallen diese Störungen deutlich geringer ins Gewicht, als bei der Verwendung von anderen Antennen.

Prinzipiell hat man beim Einbau deutlich mehr Freiheiten als bei anderen Antennen - die Antenne kann praktisch BELIEBIG im Raum angeordnet werden - gerade so, wie es im Flieger passt und durch den Knick ist ihre maximale Abmessung (~ 9 cm) gleichzeitig nur halb so groß wie bei der FAnt-Antenne.

Aufgrund der schwachen Richtwirkung wird aber eine Montage wie in nebenstehendem Bild empfohlen: Beide Äste der Antenne (rot) gehen jeweils 45 Grad nach oben und unten (bezogen auf eine horizontale Ebene im Cockpit) und zeigen nach vorne (oder alternativ auch nach hinten). Die Zuleitung wird nach unten weggeführt.

Eine Montage, bei der die SuperFAnt mit einem Ast senkrecht nach oben und einem Ast nach vorne (oder hinten) montiert wird, ist damit ebenfalls möglich. Diese Montage kann z.B. aufgrund von Platzbeschränkungen notwendig sein oder um andere Störquellen (siehe Installationshinweise) zu vermeiden. Zeigt der zweite Ast nach Vorne, so liegt die maximale Reichweite etwa 45 Grad nach oben geneigt, zeigt der zweite Ast nach hinten, so liegt die maximale Reichweite entsprechend 45 Grad nach unten geneigt. Für die eigentliche Aufgabe des FLARM, die Kollisionsvermeidung, spielt das keine Rolle. Nur die Richtung, aus der die Beste "Therminkfinderfunktion" erreicht wird, verändert sich damit geringfügig.

Die Antenne hat neben der erhöhten Reichweite und der verbesserten räumliche Abdeckung folgende weiteren "Features":

• Optimaler Schutz gegen Überspannungsschäden am FLARM, da die Antenne aufgrund ihrer Konstruktion einen "Ohmschen" Kurzschluss darstellt und sich damit zwischen dem Sender/Empfänger und der (Flugzeug-)Masse keine Spannungen aufbauen können - im Gegensatz zum Zahnstocher, der nur isoliert ist und einen unendlich hohen ohmschen Widerstand darstellt.
  
• Die Kabellänge wird individuell an die jeweilige Einbausituation angepasst. Damit werden zusätzliche Dämpfungen durch zu lange Kabel vermieden, welche bei den relativ hohen Frequenzen des FLARM (868 MHz) signifikante Werte erreichen können. Damit wird die Reichweite des FLARM ebenfalls verbessert.
  
• Die in obigem Bild gezeigte Montage der Antenne SuperFAnt sichert optimale Kommunikation mit anderen FLARMs.
  
• Die Antenne erreicht ein Stehwellenverhältniss von 1.1 - 1.3 und damit eine sehr hohe Güte (96% - 87% der Energie wird gesendet/empfangen).
  
• Der Antennentyp ist eine Hochleistungsantenne, geht zurück auf eine militärische Entwicklung im zweiten Weltkrieg und ist in Amateurfunkkreisen sehr weit verbreitet.
  
• Abmessungen: jeder Schenkel ca. 9 cm lang
  
• Stecker: Hochwertiger 90-Grad SMA-Stecker (zur Montage auch unter engen Instrumenten-Pilzen)
  
• Kabel: Hochwertiges RG-174 Kabel mit geringer Dämpfung.