H1.3 Downlink-Bilanz
Niveau: Anwenden (K4)
Zeitbedarf: ca. 35 Minuten
Einstiegsfrage:
Der Satellit sendet für alle gleich stark. Warum hört ihn die eine Station klar und die andere nur im Rauschen?
Die Kette vom Satelliten zu dir
Im Downlink ist die Sendeseite fest: Der Satellit sendet mit 0,5 W (27 dBm) über einen Monopol mit 2,15 dBi. Seine EIRP beträgt also rund 29,1 dBm.
Auf 435,5 MHz und 1000 km beträgt die Freiraumdämpfung 145,2 dB. Dazu kommen 3 dB Polarisationsverlust. Vor deiner Antenne liegen also noch −119,1 dBm an.
Ab hier entscheidet deine Bodenstation: Antenne, Kabel, Vorverstärker und Empfänger.
Grafik: Pegelplan des Downlinks bei 1000 km Distanz (Lernwerte). Bis zur Bodenantenne ist alles gleich. Den Unterschied machen Antennengewinn (+13 dB) und tieferes Rauschen (−4,8 dB).
Das Rauschen entscheidet
Die Empfangsleistung allein sagt wenig. Entscheidend ist das S/N: Wie weit liegt das Signal über dem Rauschen?
Rauschen kommt aus zwei Richtungen. Über die Antenne kommt Rauschen vom Himmel, von der warmen Erde und von Störungen. In der Empfangskette rauschen Kabel, Verstärker und Empfänger selbst.
Man fasst alles in der Systemrauschtemperatur Te zusammen: Te = THimmel + TAntenne + 290 K · (F − 1). F ist der Rauschfaktor der Kette, die Rauschzahl NF = 10 · log₁₀(F) in dB.
Jeder Verstärker verstärkt Signal und Rauschen. Er fügt eigenes Rauschen hinzu. Das S/N wird deshalb mit jeder Stufe schlechter, nie besser.
Die Formel von Harald T. Friis zeigt, wie sich mehrere Stufen addieren: Die erste Stufe zählt voll. Die zweite zählt nur noch geteilt durch die Verstärkung der ersten, und so weiter.
Daraus folgen zwei Regeln. Regel 1: Der Vorverstärker gehört direkt an die Antenne. Regel 2: Direkt heisst ohne Kabel.
Jedes dB Verlust vor dem Verstärker bringt zusätzliche Rauschtemperatur: T = 290 K · (10L/10 − 1). 0,5 dB entsprechen rund 35 K.
Deshalb empfiehlt die Folie «Stationskonzepte»: das Gesamtrauschen so klein wie möglich halten, hochwertige Kabel verwenden – auch bei kurzen Längen – und den Vorverstärker so nahe wie möglich an der Antenne montieren.
Handfunkgerät gegen Yagi
Wir vergleichen drei Stationen mit denselben Lernwerten. Die Gummiantenne «sieht» rundherum auch die warme Umgebung. Wir nehmen dafür 180 K an. Eine Richtantenne auf den Himmel sieht weniger davon: 70 K.
Downlink-Vergleich bei 1000 km (Lernwerte)
| Grösse | Handfunkgerät + Gummiantenne | Handfunkgerät + Arrow | Kreuzyagi + Vorverstärker |
|---|---|---|---|
| Antennengewinn (70 cm) | 0 dBi | 10 dBi | 13 dBi |
| Empfangsleistung nach der Antenne | −119,1 dBm | −109,1 dBm | −106,1 dBm |
| Himmel + Antenne (Rauschtemperatur) | 30 + 180 K | 30 + 70 K | 30 + 70 K |
| Empfangskette | Empfänger NF 3 dB | 0,3 dB Kabel, Empfänger NF 3 dB | VV NF 0,7 dB / 20 dB am Mast, 20 m LMR-400, Empfänger NF 5 dB |
| Rauschzahl der Kette | 3,0 dB | 3,3 dB | 0,9 dB |
| Systemrauschtemperatur T e | 499 K | 430 K | 166 K |
| Rauschleistung P n (25 kHz) | −127,6 dBm | −128,3 dBm | −132,4 dBm |
| G/T | −27,0 dB/K | −16,3 dB/K | −9,2 dB/K |
| S/N bei 1000 km | 8,5 dB | 19,2 dB | 26,3 dB |
| Einstufung (siehe H1.4) | hörbar | gut | sehr gut |
Gemeinsame Lernwerte: Satellit 0,5 W an Monopol 2,15 dBi, 435,5 MHz, Freiraumdämpfung 145,2 dB, Polarisationsverlust 3 dB, Bandbreite 25 kHz. Rauschtemperaturen, Rauschzahlen und Gewinne sind angenommen. Alle Werte nachgerechnet.
Die Kreuzyagi gewinnt 13 dB Signal und senkt das Rauschen um 4,8 dB. Zusammen sind das 17,8 dB mehr S/N.
Ein gutes Gütemass für die ganze Empfangsanlage ist G/T: Antennengewinn minus 10 · log₁₀(Te). Das AO-40-Werkzeug von Gene Marcus (W3PM) auf der Folie «Die Verluste und das Rauschen im Griff» zeigt G/T ebenfalls an.
Simulator-Aufgabe: Szenario B
Mit dem Simulator [LINK: Simulator] prüfst du Regel 2. Stelle eine Kreuzyagi mit Vorverstärker ein. Halte die Simulation bei 950 bis 1050 km Distanz an. Verlängere dann nur das Kabel ① zwischen Antenne und Vorverstärker.
Szenario B – Eingaben im Simulator
| Schritt / Bereich | Feld | Wert |
|---|---|---|
| 1 bis 3 | wie Szenario A (H1.2) | LEO · JN47 · 145.900 / 435.500 MHz · Atmosphäre 0 · «Feste Squint-Vorgabe (Übung)» · Squint 0° |
| Kaskade «Satellit Transponder» | Satellit TX: TX-Leistung (W) | 0.5 |
| Kaskade «Satellit Transponder» | TX-Antenne (Downlink): Antennentyp / Position / Gain | Monopol (linear) / +X-Achse / 2.15 |
| Kaskade «Downlink» | Downlink-Antenne: Ant Gain (dBi) / Sky N.Temp (K) / Ant N.Temp (K) | 13 / 30 / 70 |
| Kaskade «Downlink» | Downlink-Antenne: Polarisation | Zirkular (RHCP) |
| Kaskade «Downlink» | ① COAX FEEDLINE: Kabeltyp / Länge (m) / Frequenz | Times LMR-400 / 0.5 / leer lassen (auto) |
| Kaskade «Downlink» | ② Pre-amp / Converter: NF (dB) / Gain (dB) | 0.7 / 20 |
| Kaskade «Downlink» | ③ COAX FEEDLINE: Kabeltyp / Verlust (dB) | Manuell (dB) / 0 |
| Kaskade «Downlink» | ④ Pre-amp / Converter: NF (dB) / Gain (dB) | 0 / 0 (Stufe überbrückt) |
| Kaskade «Downlink» | ⑤ COAX FEEDLINE: Kabeltyp / Länge (m) / Frequenz | Times LMR-400 / 20 / leer lassen (auto) |
| Kaskade «Downlink» | ⑥ Receiver: NF (dB) / Bandwidth (Hz) | 5 / 25000 |
| Zeitsteuerung | Pause | anhalten bei Distanz 950 bis 1050 km, dann nur noch ① ändern |
| Varianten für ① | Kabeltyp / Länge (m) | V1: LMR-400 / 0.5 · V2: LMR-400 / 5 · V3: LMR-400 / 20 · V4: Belden 8262 (RG-58C/U) / 20 |
① ist das Kabel zwischen Antenne und Vorverstärker. In V3 und V4 sitzt der Vorverstärker also 20 m von der Antenne entfernt. Der Simulator berechnet die Kabeldämpfung aus Kabeltyp, Länge und Frequenz selbst.
Szenario B – erwartete Ergebnisse und Toleranz
| Variante ① | ① Verlust (dB) | RX System NF (dB) | Eff Sys Temp T e (K) | RX Noise Pwr P n (dBm) | G/T (dB/K) | Downlink S/N bei 1000 km (dB) | Änderung S/N zu V1 (dB) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| V1: LMR-400, 0,5 m | 0,04 | 0,88 | 165 | −132,4 | −9,2 | 26,3 | 0 |
| V2: LMR-400, 5 m | 0,44 | 1,28 | 199 | −131,6 | −10,0 | 25,5 | −0,8 |
| V3: LMR-400, 20 m | 1,78 | 2,62 | 340 | −129,3 | −12,3 | 23,2 | −3,1 |
| V4: RG-58C/U, 20 m | 8,12 | 8,96 | 2091 | −121,4 | −20,2 | 15,3 | −11,0 |
| Toleranz | ± 0,01 | ± 0,02 | ± 2 | ± 0,1 | ± 0,1 | ± 0,5 (je nach Distanz) | ± 0,1 |
Alle Werte stehen in der Kaskade «Downlink» unter den Elementen. NF, T e, P n und G/T hängen nicht von der Satellitenposition ab. Die Werte wurden mit den Formeln des Simulators nachgerechnet und im Simulator geprüft.
Richtwerte:
Mit 0,5 m Kabel liegt das S/N bei 26,3 dB. Mit 20 m LMR-400 vor dem Vorverstärker verlierst du 3,1 dB, mit 20 m RG-58 sogar 11 dB.
Beobachte auch das Spektrum: Wird das S/N zu klein, verschwinden schwache Signale im Rauschen und werden nicht mehr angezeigt.
Kontrollfrage: In Variante V3 dämpft das 20-m-Kabel vor dem Vorverstärker nur 1,78 dB. Das S/N sinkt aber um 3,1 dB. Warum? Und warum ist V4 so viel schlechter?
Lösung anzeigen
Ein Kabel vor dem Vorverstärker dämpft nicht nur das Signal. Es rauscht selbst, und zwar mit T = 290 K · (10 L/10 − 1). Für 1,78 dB sind das rund 147 K. Ausserdem zählt das Rauschen des Vorverstärkers jetzt um den Kabelverlust stärker.
Zusammen steigt T e von 165 K auf 340 K: 10 · log₁₀(340 / 165) ≈ 3,1 dB weniger S/N. In V4 dämpft das dünne RG-58 über 8 dB. Das kostet 11 dB S/N – mehr, als die ganze Arrow-Antenne gegenüber der Gummiantenne bringt.
Faustregel der Folie: 0,5 dB Verlust vor dem Verstärker entsprechen rund 35 K zusätzlicher Rauschtemperatur.
Merksatz:
Den Downlink bestimmt allein deine Empfangsanlage: hoher Antennengewinn, tiefes Rauschen. Der Vorverstärker gehört direkt an die Antenne – ohne Kabel dazwischen.
Formeln der Downlink-Bilanz
- P Sat: Sendeleistung des Satelliten in dBm; G Sat, G Boden: Antennengewinne in dBi; FSPL und L Pol in dB.
- F 1, F 2 …: Rauschfaktoren der Stufen (linear, F = 10 NF/10); G 1, G 2 …: Verstärkungen linear. Ein Kabel mit L dB Verlust hat F = 10 L/10 und G = 10 −L/10.
- T e: Systemrauschtemperatur in K; T Himmel, T Antenne: Rauschbeiträge über die Antenne in K.
- T L: zusätzliche Rauschtemperatur eines Verlusts L (in dB) vor dem Verstärker; 0,5 dB ↔ 35 K.
- P n: Rauschleistung in W (für dBm: 10 · log₁₀(P n / 1 mW)); k = 1,38 · 10⁻²³ J/K; B: Bandbreite in Hz.
- G/T: Güte der Empfangsanlage in dB/K. Je grösser, desto besser.
Mini Selbsttest
Mini-Test: Downlink-Bilanz
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