Meßtechnische Beurteilung von Amateur-Doppler-Peiler-Mobilantennen für das 2-m-Band
Anlaß meiner Messungen war die Behauptung von DJ6II, daß man beim 4-fach-Blechantennenfeld auf die Radiale verzichten kann (siehe Vorwort).
Folgende Antennenfelder wurden von mir vermessen:
4-fach-Blechantenne mit 8 Radialen
4-fach-Magnetfußantenne
8-fach-Magnetfußantenne
Ziele
Ziel der Messungen war die Beurteilung der Doppler-Peiler-Eigenschaften bei Verwendung verschiedener Mobilantennen in Kombination mit örtlichen Gegebenheiten:
● 360°-Kreisfahrt (Linearität)
● Überlandfahrt (wenig Reflexionen)
● Stadtfahrt (starke Reflexionen)
Fragen
● Was passiert, wenn man die Radiale an der Blechantenne wegläßt? Wirkt sich der reduzierte Materialaufwand auf das Peilergebnis aus?
● Ist eine 4-fach-Magnetfußantenne ein gleichwertiger Ersatz für ein 4er-Antennenblech?
● Lohnt sich der Aufwand einer doppelten Antennenanzahl? Klar ist, ein 8er-Antennenfeld ist besser als ein 4er-Antennenfeld, nur, „wie viel“ besser?
Für den eiligen Leser, hier die Ergebnisse der Messungen vorweg
● 4 Antennen bieten einen guten Kompromiss zwischen Aufwand und Peilgenauigkeit bei Mobilbetrieb.
● Die 8-fach-Antenne ist mit 1,2-fach-größerem Durchmesser bis zu 1,9-fach „besser“ als eine 4-fach-Antenne!
● Die 4-fach-Magnetfußantenne ist gleichwertig zur 4-fach-Blechantenne!
● Der etwas größere Peilfehler einer 4-fach-Blechantenne mit seitlich gekürzten Radialen kann im Mobilbetrieb vernachlässigt werden, aber:
● Eine Blechantenne ganz ohne Radiale liefert nur „Schrottwerte“ und ist deswegen nicht empfehlenswert. Wer einen „Antennen-Halter“ nutzt, der nur dafür sorgt, daß die Antennendrähte in entsprechendem Abstand senkrecht in den Himmel ragen (ohne gute Masse oder Symmetrierung), der braucht sich über miserable Peilergebnisse nicht zu wundern (falls er es überhaupt merkt! 😏 ).
● Fazit: Ein HF-technisch günstig aufgebautes Antennenfeld sowie ein großer Antennenkreisdurchmesser verbessert die Genauigkeit und die Unempfindlichkeit gegenüber Reflexionen erheblich, siehe die aussagekräftigen Diagramme weiter unten.
Antworten
Diese lassen sich mit Vergleichsmessungen in der Praxis finden. Dazu habe ich meinen modifizierten DJ3YB-Peiler an einen µC („C-Control“) adaptiert, die Software geschrieben und Meßreihen mit verschiedenen Parametern gefahren. Als „Peilsender“ diente mir die Relaisstelle Kalmit (DB0XK, bei Maikammer) auf 145,700 MHz.
Peiler mit Laptop im „Peil-CORSA“
Das Steckbrett mit dem „C-Control“
Das „C-Control“
© CONRAD Elektronik
Abmessungen der 3 Antennen
4-fach-Blechantenne: Antennenabstand a4 = 48 cm (Diagonale D4 = 68 cm)
4-fach-Magnetfußantenne: gleicher Antennenabstand wie bei der Blechantenne
8-fach-Magnetfußantenne: Antennenabstand a8 = 32 cm (Kreisdurchmesser D8 = 83 cm)
Überlegungen zum Antennenkreisdurchmesser
Bei Doppler-Peiler-Mobilantennen ist der Antennenkreisdurchmesser durch die endliche Fläche des Autodaches begrenzt. Bei 8 Antennen muß man sich entscheiden: „Großer“ Durchmesser oder „gleich große“ Antennenfuß-Massefläche um jede Antenne? Zugunsten eines möglichst großen Antennenkreisdurchmessers muß man Abstriche bei der „idealen“ Einzelantenne machen. Es ist wie immer ein Kompromiss, der hier aber durchaus gute Ergebnisse liefert.
Setzt man den (gewählten) Durchmesser der 8-fach-Magnetfußantenne zur Diagonalen der Blechantenne ins Verhältnis, dann ergibt sich folgender „Durchmessergewinn“ kD:
Gemessen am doppelten Antennen- und Elektronikaufwand scheint das nicht gerade viel! Immerhin ist der Antennenabstand der 8 Antennen gegenüber dem der 4 Antennen (wegen dem begrenzten Platzangebot) deutlich geringer als optimal ausgefallen. Der „Antennenabstandsgewinn“ ka ergibt sich aus dem Verhältnis der beiden Antennenabstände zu:
Die 8 Antennen sitzen also 1,5-fach „dichter“ beieinander als beim 4er-Antennenblech, was immerhin eine bessere Phasen-Abtastung der mehr oder minder verzerrt einfallenden Wellenfronten liefert. Gleich bei der ersten Probefahrt mit der neuen 8-fach-Mobilantenne im September 2000 erschien mir die Peilanzeige in der Stadt subjektiv ruhiger als mit nur 4 Antennen.
C-Control
Das C-Control verfügt über 16 Digital-Ports und 8 A/D-Wandlereingänge. Für die Messungen werden 8 Digital-Ports und 2 A/D-Wandlereingänge benutzt:
Peilrichtung
Die 8-Bit-Peilrichtungswerte werden an 8 Digital-Ports (parallel als Byte) eingelesen und später bei der EXCEL-Auswertung in ein 360°-Format umgerechnet:
28 = 256 bit ≙ 360°
(0 .. 255 bit ≙ 0° .. 259°)
Peilqualität
Die Ausgangsspannung für die Peilqualität wird über einen A/D-Port eingelesen. Dieser Meßwert ist ein Maß für das Vorhandensein von Reflexionen: Je höher die Spannung, also je höher die Qualität der Messung, desto weniger Reflexionen gibt es. Der Analogwert wird unkalibriert eingelesen und als bit-Wert gespeichert. Die Verstärkungseinstellung ist zwecks Vergleichbarkeit für alle Messungen identisch.
Es gilt: 0 .. 5 V ≙ 0 .. 255 bit
S-Wert
Die Ausgangsspannung für den S-Wert (Empfangsfeldstärke des Empfängers) wird ebenfalls über einen A/D-Port eingelesen. Dieser Meßwert ist kalibriert, wobei Folgendes gilt:
0 .. 5 V ≙ 0 .. 255 bit
50 bit ≙ 1 S-Stufe (6 dB)
(Info: In das Koax-Kabel vom Peilantennenfeld zum Empfänger ist ein 20-dB-Abschwächer eingeschleift)
Diagramme
Y-Achse
Die vom Peiler am Parallel-Port ausgegebene (und auf die Fahrzeugfront bezogene) Peilung ist auf der linken Y-Achse aufgetragen: je nach Messung entweder als Richtung oder als Peilfehler.
Die Peilqualität und die S-Werte sind auf der rechten Y-Achse aufgetragen.
X-Achse
Hier findet man (je nach Messung) entweder die gefahrene Strecke oder die Soll-Peilrichtung.
BASIC-Programm
Das BASIC-Programm und die Meßwerte teilen sich den Speicherplatz im EEPROM des C-Controls. Je länger das Programm, desto weniger Speicherplatz verbleibt für die Meßwerte. Mit der aktuellen Programmierung habe ich eine max. Meßzeit von 41 s für 1304 Meßwertetripel ermittelt. Damit ergibt sich eine Meßrate von 31,4 ms pro Meßwertetripel (f = 31,8 Hz).
Die Meßzeit ist ausreichend lang und die Meßrate ist für die anstehende Meßaufgabe schnell genug - Los geht’s!
Die Messungen
360°-Kreisfahrt
Mit dieser Meßfahrt kann man die Systemgenauigkeit (Linearität) des Doppler-Peilers überprüfen (Reflexionsfreiheit vorausgesetzt). Aber, es scheint kein reflexionsfreies, öffentlich zugängliches „Gelände“ im Umkreis von 10 Km um Ludwigshafen/Rhein zu geben!? Jedes Verkehrsschild, jeder Lampenmast sogar jeder Baum ist als „Reflexionszacken“ in den Meßkurven „zu sehen“. Egal, im Gegensatz zur „Labor-Messung“ auf dem Antennenprüfstand von DJ3YB sollte es eine „Praxis-Messung“ werden.
Für die Linearitätsmessung stand mir keine „Drehscheibe“ zur Verfügung. Also bin ich stattdessen mit konstanter Geschwindigkeit einen Kreis mit ca. 11 m Durchmesser gefahren (Wendekreis meines OPEL Corsa). Während der Kreisfahrt hat der µC alle 3 Parameter (Peilrichtung, Peilqualität und S-Wert) als Meßwerttripel gespeichert.
Am PC habe ich die Zeit für die 360°-Kreisfahrt linear in „Soll-Peilrichtungswerte“ umgerechnet und in den folgenden Diagrammen als Richtung auf der X-Achse aufgetragen.
Für die linke Y-Achse habe ich die gemessenen Peilrichtungswerte von den Soll-Peilrichtungswerten subtrahiert. Als Ergebnis erhält man den (auf „Fahrzeug-Nord“-bezogenen) Peilfehler.
Meßplatz für die Linearitätsmessung:
Landstraße bei Neuhofen (49.4111 8.4348)
Die Linearitätsabweichung von ±3,5°, die DJ3YB an seiner 4-fach-Blechantenne auf dem Antennenprüfstand gemessen hat, war unter diesen Umständen nicht zu verifizieren, trotz Sichtverbindung zum ca. 30 Km entfernten Kalmit-Relais. Wie auch immer, zum Vergleich der 3 gewählten Antennenfelder untereinander sind die Ergebnisse der folgenden Linearitätsmessungen auf jeden Fall aussagekräftig!
Hier die Ergebnisse der Linearitätsmessungen im 11-m-Kreis (49.4111 8.4348) und im 33-m-Kreis (49.4855 8.3525):
Die 4-fach-Magnetfußantenne ist ein gleichwertiger Ersatz zur 4-fach-Blechantenne, vergleiche Diagramm Nr. 4 mit Nr. 1):
Die 8-fach-Magnetfußantenne ist ca. 1,4-fach „besser“ als die 4-fach-Blechantenne: Das max. gemessene Linearitätsfehlerintervall (ohne den „Reflexionszacken“ bei 280°) beträgt bei der 8er-Antenne 29°. Die 4er-Antenne zeigt hingegen 40°:
Wird die Blechantenne zugunsten der Verkehrssicherheit mit seitlich gekürzten Radialen (Länge: 46 cm auf 33 cm gekürzt) betrieben, dann kann man mit einer Vergrößerung des Linearitätsfehlerintervalls von ca. 5° rechnen:
Hier die Vergleichsmessungen mit seitlich gekürzten Radialen im 33-m-Kreis:
Versuchsweise habe ich die Blechantenne mit nur den 2 vorderen & 2 hinteren Radialen bzw. mit nur den 4 seitlichen Radialen betrieben. Das Linearitätsfehlerintervall steigt um ca. 10° zur Version mit allen Radialen:
Fährt man ohne Radiale, dann ist von Linearität keine Rede mehr!
Als ich die erste Messung ohne Radiale (Diagramm Nr. 3a) im Kasten hatte und mit dem Laptop grob vor Ort ausgewertet hatte, dachte ich zunächst an eine Fehlmessung. Zur Kontrolle bin ich erneut einen Kreis gefahren. Das Ergebnis war annähernd gleich schlecht (Diagramm Nr. 3b). Sehr wahrscheinlich war ich nicht exakt auf der „gleichen Spur“ wie bei der ersten Messung? Wie auch immer, die beiden Kurven zeigen sehr ähnliches Verhalten:
Tatsache ist, daß die 4-fach-Blechantenne ohne Radiale extrem empfindlich gegenüber Reflexionen ist!
Man vergleiche die Messungen mit und ohne Radiale im 33-m-Verkehrskreisel:
Der hier gemessene Meßfehler von bis zu 100 % ist völlig inakzeptabel:
Die DK9WZ-Blechantenne
Im Februar 2002, also knapp eineinhalb Jahre nach den ersten Messungen, habe ich die Alu-Blechplatte von DK9WZ (ohne Radiale) auf mein Autodach geschnallt und vermessen, siehe die Idee von DJ6II. Die 4-fach-Blechantenne von DK9WZ hat an der Unterseite umlaufende Gummipuffer als Kratzschutz. Somit ist sie ohne Dachgepäckträger (also „tiefer/dichter“ am Autodach) mittels Spanngurt montierbar.
Sieht so aus, als ob die „äußeren“ Antennenrückströme nicht über die kapazitive Koppelung (Antennenblech – Autodach) zu ihren jeweiligen Antennenmittelpunkten „finden“! 😥
Fazit:
Die Nachmessung der DK9WZ-Antenne zeigt ähnlich schlechte (nicht akzeptable) Ergebnisse zur Version mit Dachgepäckträger (beide ohne Radiale).
Überlandfahrt
Im Gegensatz zur Stadtfahrt sind bei der Fahrt über Land nur wenige Reflexionen zu erwarten. Erwartungsgemäß zeigen die Meßergebnisse für alle 3 Antennen keine signifikanten Unterschiede. Der Doppler-Peiler arbeitet an seiner Auflösungsgrenze: In den Diagrammen ist nur der typische Digitalfehler (±1 bit ≙ ±1,4°) zu sehen.
Die Teststrecke verläuft in einer leichten Kurve von Ortsausgang Neuhofen (49.4146 8.4317) bis zum Linearitätsmeßplatz (ca. 450 m).
Die Rechtskurve ist deutlich als „gebogene schwarze Linie“ in den Diagrammen „wiederzufinden“.
Blick vom Ziel in Richtung Start:
Achtung: Bewuchs am Ende der Teststrecke!
Ergebnis:
Die 8-fach-Magnetfußantenne generiert einen höheren Qualitätswert als die beiden 4-fach-Antennen. Ansonsten zeigen alle 3 Antennen vergleichbare Ergebnisse:
Richtig krass wird's, wenn man an der Blechantenne die Radiale entfernt: Der Meßwert weicht in der ersten Hälfte des Diagramms Nr. 12 mit 189° heftig vom bisherigen Meßwert von 111° ab!
Die Differenz beträgt stolze +78°!
Gegen Ende der Teststrecke (ab ca. 240 m) „verfälscht/verbessert“ der Bewuchs die Meßwerte wieder in Richtung der Antenne mit Radialen (111°). Der Qualitätswert sackt gegen Ende der Teststrecke auf ein Viertel des bisherigen Wertes ab! Der S-Wert geht um eine S-Stufe zurück.
Was ist da passiert? Es wurde doch „nur Metall entfernt“; die Nordung und alle anderen Parameter sind unverändert!
Hinweis zur Kartenarbeit:
Ein mobiler Peiler ist so kalibriert (genordet), daß ein Peilsender einen Meßwert von 0° liefert, wenn er sich „direkt vorm Auto“, also in Fahrtrichtung befindet. Wie bei der GPS-Navigation weiß man also, ob man an der nächsten Kreuzung besser nach links, rechts oder geradeaus fahren sollte.
Die Landstraße hat einen „Karten-Nord-Bezug“ von 146° (siehe schwarzer Pfeil in der Karte). Der „Peil-Corsa“ fährt also in Richtung Süd-Osten. Ein Peilsender beim Badesee würde demnach einen Meßwert „um 0°“ liefern.
„Mein Peilsender“ (die Relaisstelle Kalmit, DB0XK) liegt in Richtung 248° (siehe grüner Pfeil in der Karte). Also müßte die LED-Peilrichtungsanzeige des Peilers „nach rechts“ zeigen?
Die 4-fach-Blechantenne mit allen Radialen peilt die Relaisstelle Kalmit, vom Meßpunkt (49.4129 8.4334) bei Neuhofen aus, mit einem Meßwert von 111° an.
Für den Eintrag der Peillinie in eine Karte muß man zum Meßwert noch den „Straßen-Wert“ addieren und erhält so 257° (siehe blauer Pfeil in der Karte).
Kartenvorlage: © GraphHopper.com
Hinweis: Sollte das Additionsergebnis mehr als 359° liefern, dann ist 360° zu subtrahieren.
Der aktuelle Peilfehler der 4-fach-Blechantenne mit allen Radialen beträgt akzeptable +9°. Bei der 4-fach-Blechantenne ohne Radiale weicht die Peilung mit 335° erheblich vom Sollwert ab (siehe roter Pfeil in der Karte). Der Peilfehler beträgt satte +87°! Anstelle von „nach rechts“ zeigt die LED-Peilrichtungsanzeige „nach hinten“ - Das ist schon heftig, wo doch „nur etwas Metall weggelassen“ wurde!
Die Antenne ohne Radiale zeigt eine Abweichung von +78° gegenüber der Antenne mit Radialen. Schaut man sich das Diagramm Nr. 3a an, dann wird klar warum: Der Peilfehler (bei Reflexionsfreiheit) beträgt bei 111° ganze +78° (siehe die schwarz gepunkteten Pfeile). Zum Meßwert der Antenne mit Radialen (111°) addiert sich (wegen den fehlenden Radialen) 78°, sodaß der Peiler einen Meßwert von 189° ausgibt (siehe Tabelle). Zum Übertrag in die Karte wird zum Meßwert noch der „Straßen-Wert“ addiert, sodaß sich eine Peilung von 335° ergibt (siehe roter Pfeil in der Karte).
Fazit:
Ohne Reflexionen schlägt bei der Antenne ohne Radiale die reine „Nicht-Linearität“ zu Buche. Die Anzeige des Peilers ist zwar „schön stabil“, zeigt aber leider komplett in die falsche Richtung!
Stadtfahrt
Die Stadtfahrt habe ich im nahegelegenen Neuhofen gemacht. Das ist eine reine Wohngegend mit Einfamilienhäusern, was „durchschnittliche Reflexionen“ erwarten ließ.
Die Teststrecke ist ein gerader, „unauffälliger“ Straßenzug mit Lampenmasten (Länge: ca. 300 m), siehe Foto.
Die Interpretation der Meßkurven scheint bei den vielen Reflexionen äußerst subjektiv und grenzt an Kaffeesatzleserei. Wie auch immer, man findet in den Diagrammen zwei markante „Doppel-Reflexionszacken“ zwischen 50 m und 100 m, die sich zum Vergleich der beiden Antennen gut eignen:
Die schwarze Peillinie der 4-fach-Blechantenne mit allen Radialen zeigt an diesen Stellen eine max. Schwankungsbreite (Intervall) von 156° (Diagramm Nr. 15), die 8-fach-Antenne im Vergleich dazu nur 100° (Diagramm Nr. 17). Die 8-fach-Antenne hat hier eine 1,6-fach-kleinere „Unsicherheit“.
Was auffällt: Die beiden Reflexionszacken sind bei der 8-fach-Antenne deutlich schmaler und passend dazu ist auch der Qualitätswert höher!
Betrachtet man nur die Teilstrecken mit „normalen“ Reflexionen (ohne Doppel-Reflexionszacken), dann erkennt man, daß die schwarze Peillinie der 8-fach-Antenne deutlich ruhiger verläuft: Die max. Schwankungsbreite (Intervall) beträgt hier 46°, während bei der 4-fach-Antenne mit allen Radialen 86° zu messen ist. Die 8-fach-Antenne zeigt hier eine 1,9-fach-kleinere „Unsicherheit“!
Die Blechantenne ohne Radiale kann die beiden markanten Reflexionszacken wegen den vielen Reflexionen de facto gar nicht „erkennen“ und der Qualitätswert ist niedriger (schlechter) als bei der Version mit allen Radialen.
Die Peillinie der 4-fach-Antenne ohne Radiale zeigt eine max. Schwankungsbreite (Intervall) von 113°, die 4-fach-Antenne mit Radialen nur 86°. Im Vergleich zur Version mit Radialen schneidet diese Antenne in der Stadt somit um den Faktor 1,3 schlechter ab!
Wie erwartet zeigen alle 3 Versionen im statistischen Mittel die gleiche Peilung (~173°, zum Peilsender nach Maikammer), was letztendlich aber nur bedeutet, daß die Nordungseinstellung bei allen Versionen korrekt eingestellt war.
Schlußwort
Theorie ist wichtig, nachmessen bringt Sicherheit!
Am liebsten habe ich es, wenn Theorie und Praxis zueinander passen! 😀
Fazit:
Ein HF-technisch günstig aufgebautes Antennenfeld sowie ein großer Antennenkreisdurchmesser verbessert die Genauigkeit und die Unempfindlichkeit gegenüber Reflexionen erheblich, siehe oben.
73 de DF9IE
Roland