Was ist eine aktive Antenne? Der vollständige Leitfaden

Die Antennentechnologie hat sich mit aktiven Antennen, in die aktive elektronische Komponenten wie Verstärker, Filter und Signalverarbeitungseinheiten integriert sind, erheblich weiterentwickelt, um eine bessere Leistung zu erzielen. Aktive Antennen sind erfolgreicher in Situationen, in denen die Signalstärke ein Problem darstellt, da sie ihre integrierte Elektronik zur Verbesserung der Signale einsetzen, im Gegensatz zu passiven Antennen, die nur ihr physisches Design nutzen, um Signale zu erfassen.

Aktive Antennen ermöglichen aufgrund der integrierten Verstärker einen effektiven Signalempfang über einen breiteren Frequenzbereich; die zusätzliche Verstärkung kann jedoch dazu führen, dass der Signalpegel mit einer höheren als der zulässigen Ausgangsleistung gesendet wird. Aus diesem Grund werden aktive Antennen in der Regel für den Empfang und nicht für die Übertragung von Signalen verwendet. Da einige Richtantennen bereits über einen eingebauten Gewinn verfügen, kann der zusätzliche Gewinn bei einer aktiven Antenne unnötig und für manche Systeme sogar schädlich sein. Dieser Artikel befasst sich mit den Arten, Funktionen, Vorteilen, Verwendungszwecken und Schwierigkeiten von aktiven Antennen. Er vergleicht sie auch mit passiven Antennen und enthält einschlägige Fallstudien.

Was ist eine aktive Antenne und wie funktioniert sie?

Eine aktive Antenne ist ein Gerät, das Signale verstärkt oder modifiziert, indem es die herkömmliche Antennenarchitektur mit aktiven elektronischen Komponenten verbindet. Dank der Integration aktiver Komponenten wie Signalprozessoren oder rauscharmer Verstärker (LNAs) kann die Antenne mehr als nur Signale empfangen und senden.

Ein Verstärker ist ein Bestandteil einer aktiven Antenne. Dank dieses Verstärkers, der die von der Antenne empfangenen HF-Signale verstärkt, sind längere Kabelstrecken ohne Einbußen bei der Signalqualität möglich. Außerdem verbessert der Verstärker das Signal-Rausch-Verhältnis, indem er die gewünschten Signale effektiver verstärkt, oft in Verbindung mit einer Filterung zur Minimierung von Störungen. Aus diesem Grund sind aktive Antennen perfekt für den Einsatz in Städten oder Fabriken geeignet, wo es viele elektromagnetische Störungen gibt.

Aktive Antennen können auch zur Überwindung von Signalverlusten durch Splitter oder andere Verteilergeräte oder zum Ausgleich von Signalverlusten bei langen Kabelstrecken eingesetzt werden. Aus diesem Grund sind sie bei Anwendungen wie drahtlosen Mikrofonsystemen und der Kabelfernsehverteilung hilfreich. Alles in allem bieten aktive Antennen die Möglichkeit, die Signalqualität und den Empfang in einer Vielzahl von Anwendungen zu verbessern, was sie zu einem unschätzbaren Instrument für verschiedene Bereiche macht.

Arbeitsprinzip

In der Regel wird eine Verstärkerschaltung mit einem winzigen Antennenelement, z. B. einer Schleife oder einem Dipol, verbunden, um eine aktive Antenne zu bilden. Das Antennenelement empfängt schwache Eingangssignale, die durch die Verstärkerschaltung verstärkt werden. Der Empfänger oder der Rest des Funksystems empfängt dann dieses verstärkte Signal.

Eine Batterie oder ein an der Antenne angebrachtes Netzteil kann den Verstärker in einer aktiven Antenne mit Strom versorgen. Die Energie, die der Verstärker zum Betrieb und zur Verstärkung der Signale benötigt, wird von dieser Stromquelle geliefert.

Die Kernfunktionalität einer aktiven Antenne umfasst:

1. Signalempfang: Die Antenne empfängt elektromagnetische Wellen.
2. Verstärkung: Die eingebetteten aktiven Komponenten verstärken schwache Signale, um deren Klarheit und Stärke zu verbessern.
3. Signalverarbeitung: Moderne aktive Antennen können das Signal verarbeiten, um Rauschen oder unerwünschte Frequenzen herauszufiltern.
4. Signalübertragung: Im Übertragungsmodus sorgen aktive Komponenten für eine effiziente Ausbreitung, indem sie die Signalleistung verstärken.

Durch die Integration dieser aktiven Komponenten können aktive Antennen in anspruchsvollen Umgebungen, z. B. in Umgebungen mit starken Störungen oder schwachen Signalen, effektiver arbeiten.

Arten von aktiven Antennen

Aktive Antennen können je nach Bauart und Anwendung klassifiziert werden. Nachstehend sind die wichtigsten Typen und ihre Definitionen aufgeführt.

1. Aktive Empfangsantennen: Diese Antennen verstärken die eingehenden Signale und werden nur in communksystemen verwendet, bei denen die Signalstärke ein wichtiger Faktor ist.
2. Aktive Sendeantennen: Diese verfügen über eingebaute Verstärker, um die Leistung der übertragenen Signale zu erhöhen und eine größere Reichweite und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Aktive Antennen werden jedoch hauptsächlich für den Empfang von Signalen verwendet.
3. Intelligente Antennen: Ausgestattet mit Signalverarbeitungsalgorithmen können diese Antennen die Strahlen dynamisch lenken, um sie in die gewünschte Richtung zu lenken.
4. Phased-Array-Antennen: Diese Antennen bestehen aus mehreren Elementen mit phasengesteuerten Signalen und ermöglichen die Strahlformung und -steuerung ohne mechanische Bewegung.
5. Aktive Breitband-Antennen: Diese Antennen arbeiten über einen breiten Frequenzbereich und eignen sich daher für Mehrfrequenz-Kommunikationssysteme.

Vorteile von aktiven Antennen

Aktive Antennen bieten im Vergleich zu herkömmlichen passiven Antennen mehrere Vorteile. Wenn die Antenne mit vielen Geräten oder an Orten mit schlechtem Empfang verwendet werden muss, bieten aktive Antennen eine zuverlässige und praktische Möglichkeit für den Empfang hochwertiger Signale.

Zu den wichtigsten Vorteilen aktiver Antennen gehören die folgenden.

• Verbesserte Signalqualität - In der Regel verfügen aktive Antennen über eingebaute Verstärker, die das Signal verstärken und so den Empfang und die Signalqualität verbessern. Dies ist besonders an Orten hilfreich, an denen die Signale schwach oder weit entfernt sind. Die Integration von LNAs gewährleistet einen verstärkten Signalempfang, wodurch sie auch in Umgebungen mit schwachen Signalen wirksam sind.

• Größere Reichweite - Im Vergleich zu passiven Antennen können aktive Antennen aufgrund der Verstärkung, die sie bieten, Signale aus größerer Entfernung empfangen. Aktive Komponenten verstärken die Leistung des übertragenen Signals und erweitern so den Abdeckungsbereich. In ländlichen oder abgelegenen Gebieten, in denen die Sendemasten weit entfernt sind, kann dies äußerst hilfreich sein.
• Multidirektionaler Empfang - Je nach Ausführung können aktive Antennen omnidirektional sein, d. h. sie können Signale aus mehreren Richtungen empfangen. Die Suche nach dem optimalen Signal erfordert dank des omnidirektionalen oder multidirektionalen Empfangs keine ständigen Antennenänderungen mehr.
• Energieeffizienz - Trotz ihrer verbesserten Fähigkeiten sind moderne aktive Antennen so konzipiert, dass sie nur wenig Strom verbrauchen, was sie für mobile Anwendungen geeignet macht.

• Kompakte Größe - Im Vergleich zu herkömmlichen Antennen sind aktive Antennen in der Regel kompakter und kleiner. Aus diesem Grund können sie jetzt an Wänden, Fenstern oder sogar in Innenräumen angebracht werden, was die Installation vereinfacht. Durch die Integration aktiver Elemente direkt in die Antenne kann die Gesamtgröße des Systems reduziert werden.

• Dynamische Funktionalität - Intelligente und phasengesteuerte Antennen bieten Funktionen wie Beamforming und verbessern die Effizienz der Kommelefonie.

• Geringere Störungen - Da aktive Antennen über integrierte Verstärker und Signalverarbeitungsfunktionen verfügen, sind sie weniger anfällig für Störungen durch benachbarte elektrische Geräte oder Strukturen. Sie können ein präziseres Signal erzeugen, indem sie unnötiges Rauschen entfernen.

• Kompatibilität mit verschiedenen Geräten - Zahlreiche aktive Antennen sind so konzipiert, dass sie mit einer Reihe von Geräten wie Streaming-Geräten, Fernsehern und Radios funktionieren. Sie sind aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit eine praktische Option für verschiedene Umgebungen und Anwendungen.

• Einfache Installation - Die Installation und Konfiguration von aktiven Antennen ist in der Regel einfach. Um den besten Standort zu bestimmen, werden häufig Montagematerial, detaillierte Anweisungen und gelegentlich sogar integrierte Signalstärkeanzeigen mitgeliefert.

• Zukünftige Nutzung - Neue Übertragungsstandards und -frequenzen werden mit zunehmender technologischer Entwicklung immer häufiger von aktiven Antennen unterstützt. Dies bedeutet, dass der Kauf einer aktiven Antenne jetzt die Kompatibilität mit allen kommenden Fortschritten oder Änderungen in der Rundfunktechnologie garantiert.

Anwendungen von aktiven Antennen

Aktive Antennen sind für die Verbesserung der Zuverlässigkeit, Qualität und Reichweite von Signalen in einer Vielzahl von drahtlosen communication-Anwendungen unerlässlich. Im Folgenden sind die Anwendungen aufgeführt, bei denen aktive Antennen für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden.

1. Verbessert den Fernsehempfang: Wird bei Radio- und Fernsehübertragungen eingesetzt, um die Signalqualität und -abdeckung zu verbessern. An Orten, an denen es Störungen oder eine schlechte Signalstärke gibt, können aktive Antennen eingesetzt werden, um die Qualität des Fernsehempfangs zu verbessern.
2. Drahtlose communication: Wi-Fi-Router und andere drahtlose communication-Geräte verwenden aktive Antennen zum Senden und Empfangen von Signalen.
3. Telecommunications-Infrastruktur: Basisstationen und andere Telekommunikationsgeräte verwenden aktive Antennen, um Signale für die mobile Kommelekommunikation zu senden und zu empfangen.
4. Zellulare Netzwerke: Mobilfunknetze nutzen aktive Antennen, um die Abdeckung und Signalstärke zu erhöhen. Wird auch in der 5G-Infrastruktur zur Verbesserung der Konnektivität verwendet.
5. GPS-Navigation: Um Signale von Satelliten zu empfangen und präzise Positionsdaten zu liefern, benötigen GPS-Systeme aktive Antennen.
6. Radarsysteme: Radarsysteme verwenden aktive Antennen zum Senden und Empfangen von Radiowellen, um Dinge zu verfolgen und zu erkennen.
7. Satellitenkommunikation communication: Satelliten-Kommunikationssysteme verwenden aktive Antennen zum Senden und Empfangen von Nachrichten an und von Satelliten. Sie werden auch in Flugzeugen zur Navigation und Kommelekommunikation eingesetzt.
8. Militärische Anwendungen: Für eine zuverlässige und sichere Verbindung verwenden militärische communication-Systeme aktive Antennen. Sie werden in Radarsystemen, Überwachungssystemen und sicheren communication-Netzwerken eingesetzt.
9. Internet der Dinge (IoT): IoT-Geräte verwenden aktive Antennen, um die drahtlose Ko1TP15Kommunikation und Konnektivität zu erleichtern.

Vergleich mit passiven Antennen

Die einfachste Art von Antennensystemen ist ein passives System. Bei ihnen durchlaufen die Funksignale das System ohne zusätzliche Störungen, nachdem sie vom Netz zum Steuergerät gelangt sind. Die Stärke des eingehenden Signals ist alles, was passive Antennen nutzen können; sie sind nicht in der Lage, das Signal zu verstärken. Sie eignen sich besser für Situationen, in denen die Kosten eine wichtige Rolle spielen, da sie einfacher und billiger herzustellen sind.

Im Gegensatz dazu wird das Signal vor der Verteilung in einem aktiven Antennensystem auf irgendeine Weise verstärkt. In der Regel wird dazu ein Verstärker verwendet, der mit dem Steuergerät verbunden ist, aber es können auch andere Techniken zur Signalverstärkung eingesetzt werden. Gelegentlich werden z. B. Glasfaserverbindungen eingesetzt, um die Funktionalität zu erhöhen. Aktive Antennen werden in der Regel an Orten mit einer hohen Nutzerdichte und in dichten städtischen Gebieten eingesetzt, wo Hindernisse wie Bäume und Gebäude das Signal abschwächen. Um den durch diese Hindernisse verursachten Signalverlust auszugleichen, können sie das Signal verstärken und so eine solide und zuverlässige Verbindung gewährleisten.

Passive Antennen werden häufig in weniger bevölkerten Regionen mit hoher Signalstärke und wenigen Hindernissen eingesetzt. Sie sind ausreichend, um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten, ohne dass eine Signalverstärkung erforderlich ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass passive Antennen besser für weniger städtische Standorte mit robuster Signalstärke geeignet sind, während aktive Antennen, insbesondere Phased-Array-Systeme, eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung der Herausforderungen des 5G-Hochfrequenzspektrums in städtischen Gebieten spielen.

Herausforderungen und Beschränkungen

Trotz ihrer Vorteile stehen aktive Antennen vor bestimmten Herausforderungen:

In großen Gebäuden sind viele Arten von Antennensystemen von Vorteil. Schließlich ist es in solchen Gebäuden wahrscheinlicher, dass drahtlose Ko1TP15Mitteilungen gestört werden. Die Größe eines Gebäudes kann sich jedoch auch gegen ein Antennensystem auswirken. Die Dämpfung ist der Prozess, durch den das Signal schwächer wird, wenn Kabel Daten über immer größere Entfernungen übertragen. Um diesen Prozess umzukehren, sind aktive Antennen erforderlich. Sie verstärken das Signal und ermöglichen eine Übertragung über größere Entfernungen. Daher sind aktive Antennen in großen Gebäuden sehr hilfreich. In diesen Situationen können sie i1TP15Sofort die durch die Größe des Gebäudes bedingten Probleme beheben.

1. Machtabhängigkeit: Aktive Antennen benötigen eine Stromquelle, was in abgelegenen oder strombeschränkten Umgebungen eine Einschränkung darstellen kann.
2. Komplexität: Die Integration aktiver Komponenten erhöht die Komplexität von Design und Fertigung.
3. Kosten: Höhere Produktionskosten können dazu führen, dass aktive Antennen für Projekte mit begrenztem Budget weniger zugänglich sind.
4. Probleme mit der Verlässlichkeit: Aktive Komponenten sind im Vergleich zu passiven Elementen störanfälliger, was eine strenge Qualitätskontrolle erforderlich macht.
5. Störungsmanagement: Das Management von Interferenzen in dicht gepackten aktiven Antennensystemen kann eine Herausforderung sein.

Fallstudien

• 5G-Netzausbau

Bei der Einführung von 5G-Netzen sind aktive Antennen von entscheidender Bedeutung. In städtischen Umgebungen haben beispielsweise Phased-Array-Antennen mit Beamforming-Funktionen die Übertragung von Daten mit hoher Geschwindigkeit und geringerer Latenz ermöglicht.

• Militärische Radarsysteme

Strategische Vorteile bei Verteidigungsanwendungen werden durch die höhere Leistung moderner Radarsysteme mit aktiven Antennen bei der Identifizierung von schlecht beobachtbaren Zielen gewährleistet.

• Satellit Commelefonie

Satelliten mit aktiven Antennen bieten selbst bei ungünstigen atmosphärischen Bedingungen zuverlässige Kommelekommunikationsverbindungen, was ihre Bedeutung für die Konnektivität und die Weltraumforschung unterstreicht.

• GPS-Antenne

Aktive Antennen werden in GPS-Antennen in Smartphones und Satellitenkommunikationssystemen verwendet, wo es wichtig ist, die Signalstärke über große Entfernungen aufrechtzuerhalten.

• Drahtloser Router

Die Wi-Fi-Antenne, die in drahtlosen Routern zu finden ist, ist ein weiteres Beispiel für eine aktive Antenne. Mit Hilfe der aktiven Antenne wird die Reichweite des drahtlosen Netzwerks erhöht und das Wi-Fi-Signal verstärkt.

Schlussfolgerung

Durch die Kombination von Filterung und Verstärkung in einem kleinen Gehäuse haben aktive Antennen die Signalverarbeitung und die Kommelefonie völlig verändert. Aufgrund ihrer Fähigkeit, die Signalstärke zu erhöhen, das Rauschen zu verringern und sich dynamisch an veränderte Gegebenheiten anzupassen, sind sie für moderne Anwendungen vom Militär bis zur Telekommelekommunikation unerlässlich. Die Bedeutung aktiver Antennen in künftigen Kommunikationssystemen wird durch fortgesetzte technologische Verbesserungen zunehmen, die eine Überwindung der derzeitigen Einschränkungen wie Kosten und Leistungsabhängigkeit versprechen.

Bei der Wahl zwischen aktiven und passiven Antennen sollten Sie eine Reihe von Kriterien berücksichtigen, darunter den Preis, die Anwendung und die Anzahl der unterstützten Geräte. Einige passive Antennen können aufgrund des fehlenden Verstärkers preiswerter sein als ihre aktiven Gegenstücke, obwohl aktive Antennen in der Regel kompakter sind und Rauschen und Störungen reduzieren können. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über aktive Antennen.