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Sind Patch-Antennen die bessere Alternative für RC-Sender?

Eingereicht

Die meisten 2,4-GHz-Fernsteuersender sind mit Stabantennen ausgerüstet – baugleich mit denen, wie wir sie von den WLAN-Geräten aus dem Computerbereich kennen. Seit einiger Zeit nun bieten diverse Hersteller einige ihrer Sender mit so genannten Patch-Antennen an – erstmals zu sehen bei den Umrüst-Sets von Weatronic, bei denen diese Antennen in außen am Sender anzubringenden Modulen untergebracht waren(worüber man zumindest in Sachen Optik unterschiedlicher Meinung sein kann).

Pach_Antenne_1Aktuelle Sender haben diese Patch-Antennen nun ins Gehäuse implementiert, so dass von einer Antenne äußerlich überhaupt nichts mehr zu sehen ist. Zweifellos ein mechanischer Vorteil, denn was nicht aus dem Gehäuse ragt, kann nicht beschädigt werden oder gar abreißen. Wie aber sieht es sendetechnisch aus? Sind Patch-Antennen genauso leistungsfähig und sicher, schlechter oder gar besser als Stabantennen? Unser Elektronik-Experte Dieter Perkuhn ist diesen Fragen nachgegangen!

Es ist eine gute Zeit, um sich mit Antennen zu beschäftigen. Es gibt eine ungeheure Vielfalt von Antennen-Bauformen: große, kleine – und solche, die man gar nicht sieht. Zu dieser Sorte gehören die Patch-Antennen. Sie fangen gerade an, von unseren Fernsteuersendern Besitz zu ergreifen, und schon gibt es Modellflieger, die voll des Lobes sind; einige lehnen sie ab, und wieder andere sind zunächst einmal neutral in ihrer Beurteilung, weil sie keine besonderen Vorkommnisse während des Flugbetriebs erlebt haben.

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Graupners Patch-Antenne, eingesetzt in der mc-20 HoTT.

Erfahrungen im realistischen Modellflugbetrieb werden zur Zeit mit Sendern von Weatronic und Graupner gesammelt, der Multiplex-Sender befindet sich in der Werkserprobung. Zunächst aber: Was heißt denn eigentlich Patch?

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Graupners Patch-Antenne, eingesetzt in der mc-20 HoTT.

Patch ist das englische Wort für Fleck oder Flicken, vielen sicherlich bekannt von der Bezeichnung »Patchwork Family« als eine aus verschiedenen Beziehungen zusammengewürfelte Familie. Aber was hat ein Fleck oder Flicken mit einer Antenne zu tun? Ob man es glaubt oder nicht: Es gibt Strukturen, so groß wie Briefmarken, die eine vollständige Antennenfunktion ausüben. Weatronic, Graupner und Multiplex haben Pionierarbeit geleistet und Patch-Antennen in das HF-Modul bzw. den Sender eingebaut, nachdem ausgiebige praktische Erprobungen in verschiedenen Modellflugzeugen vorausgegangen waren.

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In Handys sind Patch-Antennen in Form von Leiterbahnen direkt auf der Platine angebracht – eine preiswerte Lösung, die sich allerdings für den RC-Bereich aus unterschiedlichen Gründen nicht nutzen lässt.

Die in den entsprechenden Fernlenkanlagen dieser drei Hersteller verwendeten Patch-Antennen sind aus keramischem Material gefertigt und haben die Abmessungen 20 x 20 x 4 mm (Weatronic), 12 x 12 x 4 mm (Graupner) und 25 x 25 x 4,5 mm (Multiplex). Ganz allgemein stellen sie – wie jede passive Antenne – einen reziproken Wandler dar, der leitungsgeführte Hochfrequenz-Energie umwandelt in ein elektromagnetisches Wechselfeld im Raum oder anders herum Energie aus dem elektromagnetischen Feld entnimmt und über eine Leitung einem Verbraucher zuführt.

Weatronic z. B. benutzt zwei identische Patch-Antennen. Beide Antennen dienen der redundanten, also parallelen Datenübertragung der Steuersignale zum Modellflugzeug beim Senden und zum Empfangen der Telemetrie-Signale vom fliegenden Modellflugzeug. Dies ist darin begründet, dass in Weatronic-Sende- und Empfangsanlagen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Übertragung weitgehend redundant gearbeitet wird. Graupner und Multiplex benutzen nur eine Patch-Antenne zum Senden und Empfangen. Hier wird die allen 2,4-GHz-Modell-Fernlenkanlagen zu eigene Tatsache ausgenutzt, dass die Telemetriesignale nur in den Sendepausen empfangen werden. Übrigens kommt nicht alles im RC-Bereich aus China: Die Patch-Antennen von Graupner und Multiplex werden in Irland von der Firma Taoglas Limited hergestellt, Weatronics Antennen in Korea.

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Die im Text erwähnte Antennenlösung aus der XG8-Fernsteuerung von JR Propo.

Die keramischen Patch-Antennen sind nicht ganz billig. Deshalb wurden für den Massenmarkt der Mobiltelefone und WLAN-Anwendungen wesentlich preiswertere Antennengebilde entwickelt mit teilweise kuriosen Bezeichnungen (z. B. PIF-Antenne), die auf den ersten Blick überhaupt nicht aussehen wie Antennen. Am billigsten sind Antennenstrukturen, die auf der Elektronikplatine als Leiterbahnen aufgebracht sind. Als Beispiele dienen die Bilder der Platine eines Samsung- und eines Siemens-Mobiltelefons. Im Fernsteuersender lässt sich solch eine preiswerte Lösung aus Platz- bzw. konstruktionsbedingten Zuordnungsgründen nicht verwirklichen, zumal diese in Mobiltelefonen auch immer nur einen Kompromiss darstellen zwischen Größe der Antenne und Anzahl der zu übertragenden Frequenzbänder. In einem WLAN-Router fand ich ein Blechgebilde, das als Antenne dient. Auch diese preiswerte Lösung taugt nicht für unsere 2,4-GHz-Sender, weil der Blechstreifen direkt auf der Platine sitzen muss.

Pach_Antenne_8Die keramischen Patch-Antennen hingegen sind kompakte und verhältnismäßig kleine Bauteile. Sie können dort eingebaut werden, wo beim Fernsteuersender eine Antenne hingehört: vorne oben. Und dort ist eben nicht genug Platz für Platinen mit integrierter Antenne in Streifenleiter- oder Blechstreifen-Technik.

Pach_Antenne_5Eine recht interessante Antenne fand ich im Zusatzempfänger RA01T der XG8-Fernsteuerung von JR Propo. Mit nur 7 x 3 x 2 mm ist sie geradezu winzig. Sie dient der Übermittlung der Telemetriedaten. Der spanische Hersteller Fractus bezeichnet sie als Chip-Antenne, und als Chip muss sie auf der Platine eingelötet werden. Fractus bietet sie speziell für Bluetooth- und WLAN-Anwendungen an. Ihre technischen Daten sind ganz gut, aber nicht so gut wie diejenigen der deutlich größeren keramischen Patch-Antennen. Anzumerken hierbei ist, dass es sich bei dem verwendeten keramischen Material um ein hochfrequenztechnisch optimiertes Material handelt. Es besitzt eine sehr große Dieelektrizitätskonstante bei sehr kleinen hochfrequenten Verlusten. Diese Materialien sind erst seit etwa 15 Jahren in Massenfertigung verfügbar und setzen sich nur langsam durch.

Einen ausführlichen Bericht lesen Sie in der Ausgabe 6/2013 des MFI Magazins.