Optimieren der Reichweite Ihrer Funksteuerung

In diesem Artikel wird erläutert, wie Sie die Reichweite Ihrer Fernbedienung optimieren. Tyro Remotes erklärt Ihnen gerne was sich negativ auf Radiowellen auswirken kann und gibt Ihnen einige Vorschläge, wie Sie Ihr Funksystem optimal nutzen können.

  1. Was bestimmt die Reichweite meiner Funksteuerung?
  2. Wodurch werden Funkwellen beeinflusst?
  3. Wie optimiere ich die Reichweite?
  4. 433 MHz oder 868 MHz? Schmalband oder Breitband?
  5. Reichweite in Nutzungsumgebung testen

Gut zu wissen:

  • Die maximal angegebene Reichweite ist stets eine Angabe die auf einer Messung mit Sichtverbindung ohne Interferenzen basiert. Die Reichweite kann nicht garantiert werden, da sie stets von verschiedenen Umgebungsfaktoren abhängt.
  • Die Skizzen wurden lediglich zu Visualisierung erstellt und geben keine genaue Darstellung der Realität.

1. Was bestimmt die Reichweite meiner Fernbedienung?

Insbesondere Dämpfung, Reflexion und Abschattung können die Reichweite Ihrer Funksteuerung verringern. Zwischen Sender und Empfänger befindliche Objekte, insbesondere Metallgegenstände und Stahlbeton, oder absorbierende Gegenstände wie Bäume, Wasser und Schnee haben eine unvorhersehbare Auswirkung auf die Reichweite. Im Allgemeinen ist die Reichweite bei Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger optimal.

Funkwellen haben nur eine begrenzte Stärke, die nach kurzer Entfernung abnimmt. Die Verringerung der Energie der Funkwellen ist auf den ersten Metern am höchsten und nimmt exponentiell ab je höher der Abstand ist. Neben den externen Faktoren beeinflussen aber auch Frequenz und Bandbreite die Reichweite der Fernbedienung.

Stärke der Radiowellen
Abbildung 1: Das Signal verliert auf den ersten Metern den größten Teil seiner Energie

Vier Faktoren, welche die Reichweite bestimmen

Es gibt (sofern wir Absorptionen und Reflexionen einen Moment lang außer Acht lassen) vier interne Faktoren, welche die Reichweite von Funksystemen bestimmen:

  1. Die Leistung des Senders
  2. Die Empfindlichkeit des Empfängers
  3. Der Antennengewinnfaktor
  4. Die Abschwächung des Funksignals (durch Abstand und Hindernisse)

Die Sendeleistung des Funksenders und die Empfängerempfindlichkeit sind zwei Faktoren, welche die Reichweite bestimmen. Der Empfänger benötigt ein Minimalpegelsignal, um das Quellsignal vom zu empfangenden Signal zu isolieren (Demodulation). Eine höhere Sendeleistung oder Empfindlichkeit des Empfängers können eine größere Übertragungsdistanz zur Folge haben.

Link-Margin

Die genannten vier internen Faktoren werden zusammengefasst zur Link-Margin. Sendeleistung und Antennengewinnfaktor werden summiert und der Empfängerempfindlichkeit sowie der Abschwächung gegenübergestellt.

Link-Margin = + Sendeleistung
– Empfängerempfindlichkeit
+ Antennengewinnung
– Abschwächung
Link-Margin = + Sendeleistung
– Empfängerempfindlichkeit
+ Antennengewinnung
– Abschwächung

Ist die Leistung des Senders abzüglich der Empfindlichkeit des Empfängers größer als die Signaldämpfung, ist eine Kommunikation möglich.

Vermeidung von Dämpfung

Das Material auf das die Funkwellen trifft entscheidet, wie diese beeinflusst werden. Die Art der Beeinflussung kann sich enorm unterscheiden. Ein Kunststoffgehäuse oder Schaltkasten absorbiert kaum Signale und die Funkwellen gelangen nahezu uneingeschränkt hindurch, daher kann die Antenne auch in Kunststoffgehäuse integriert werden. Im Gegensatz hierzu lässt beispielsweise eine 20cm Stahlbetonmauer meist keinerlei Funksignale passieren.

Am stärksten absorbiert werden Funkwellen von Metall. Beim „Aufprall“ auf Metall gelangen keine Funksignale durch das Material hindurch, sondern werden im selben Winkel reflektiert. Deshalb raten wir bei metallenen Schaltkästen die Empfänger, oder zumindest die Antenne, außerhalb des Schaltkastens zu montieren.

Funkstrahlen und Materialstärke
Abbildung 2: Die Dämpfung von verschiedenen Materialien, ausgehend von der üblichen Materialdicke

Neben allen Vorbereitungs-Maßnahmen darf man nicht außer Acht lassen, dass Störquellen nicht immer sichtbar sind. Beispielsweise hohe Luftfeuchtigkeit oder elektrische Felder können die Funkwellen und damit die Reichweite ebenso beeinflussen wie andere Funksignale auf der gleichen Frequenz. Hier können beispielsweise die Modulation und die Wahl des Frequenzbereichs der Funksteuerung Abhilfe schaffen. Mehr Informationen Hierüber lesen Sie in 4. 433 MHz oder 868 MHz? Schmalband oder Breitband?

Reflexionen einberechnen

Neben der Dämpfung muss auch die Reflexion mit einberechnet werden. Reflexionen haben oft einen negativen Effekt, können sich aber auch positiv auf die Reichweite auswirken. Es ist fast nie der Fall, dass ein Signal direkt vom Sender zum Empfänger geleitet wird, ohne dass das Signal irgendwo reflektiert wird; auch nicht, wenn es eine Sichtverbindung ohne Hindernisse gibt.

Das Signal einer Sendeantenne breitet sich aus wie ein „Donut“. Es wird vom Boden oder die Decke reflektiert und erreicht dann die Empfangsantenne. Zwischen Gebäuden wird das Signal auch durch die Hausfassaden reflektiert. Befindet sich zwischen Sender und Empfänger ein Gebäude oder eine Stahlwand, nutzt das Signal diese zur Reflexion. Durch Reflexionen an umgebenden Strukturen kann das Signal den Empfänger schließlich erreichen, ohne dass eine Sichtverbindung besteht. Hierbei ist stets zu berücksichtigen, dass das Signal immer abgeschwächt reflektiert wird.

Reflexionen einberechnen
Abbildung 3: Zwischen Gebäuden reflektiert das Signal an den Fassaden

Funkstreckenüberwachung

Unsere SAFE-Systeme sind mit einer Funkstreckenüberwachung ausgestattet. Der Empfänger schaltet sich ab, sobald er das kontinuierliche Signal vom Sender nicht mehr erhält. Da aus Sicherheitsgründen bereits bei einer geringen Anzahl nicht übermittelter Datenpakete eine Abschaltung erfolgt, haben diese Systeme in der Praxis oft eine geringere Reichweite, als Systeme ohne diese Funktion.

2. Wodurch werden Radiowellen beeinflusst?

Wie stark das Funksignal verändert wird, hängt von verschiedenen Umgebungsfaktoren ab. Es gibt zahlreiche Störungsquellen die die Reichweite von Funksystemen negativ beeinflussen können.

Übliche Störquellen sind:

  • Mauern
  • Bäume
  • Hügel
  • Hecken und Zäune
  • Luftfeuchtigkeit
  • Regen/Schnee
  • Elektrische Felder (z.B. Transformatoren, Motoren, Lichtmasten)
  • Andere Funksysteme/li>
Reflexionen Funksignale
Abbildung 4: Bäume absorbieren einen Teil der Signalstärke, deshalb ist die Reichweite im Wald deutlich geringer.

Auf dem Weg vom Sender zum Empfänger sind Funkwellen unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt. Das Signal kann:

  • abschwächen
  • sich auflösen
  • die Richtung ändern
  • verstärkt werden

Abschwächen

Im Gegensatz zu Licht können Funkwellen sehr wohl festes Material durchdringen. Die genannten Störquellen schwächen oder absorbieren das Signal zwar, aber in vielen Fällen wird es nicht komplett aufgelöst. Die Signalstärke die verloren geht ist abhängig von Art und Dicke des zu durchdringenden Materials.

Auflösen

Ab einer gewissen Kombination aus Abstand, Dämpfung und Absorption erreichen die Signale des Sender den Empfänger nicht mehr mit ausreichender Stärke. In diesem Fall gilt das Signal als aufgelöst und die Reichweite somit als überschritten.

Richtungsänderung

Funkwellen können die Richtung verändern indem sie reflektiert werden. Hierzu ist immer ein Auftreffen auf ein festes Material notwendig. Bestenfalls ist hierin Metall verarbeitet. Beispielweise Spiegel, Metallkästen, Stahlaufbauten, Gerüste und Türrahmen können Reflexionen verursachen, ebenso wie isoliertes Glas, oder andere Isolationen worin Metallfolien verarbeitet sind.

Reflektierendes Material erzeugt meist einen “Toten Winkel” in dem nur sehr wenig oder gar keine Funksignale ankommen. Dieser Bereich wird meist als Funkloch oder Funkschatten bezeichnet. Die Signalstärke kann also enorm abgeschwächt oder vollständig reflektiert werden.

Auch Wasseroberflächen können einen ähnlichen Effekt erzeugen. Deshalb ist es ratsam bei Nutzung von Funksteuerungen auf dem Wasser, auf Schiffen oder bei Schleusen vorab am Ort der Nutzung zu testen.

Gut zu wissen:

  • Metallbeschichtungen haben fast immer einen negativen Einfluss auf die Reichweite. Wenn die Empfangsantenne zu dicht an einer Metallbeschichtung montiert wird, kann die Reichweite minimiert werden. Bei Montage in einen metallenen Container oder Käfig kann es sein dass – abweichend von den eigentlichen Systemeigenschaften – eine zeitgleiche Nutzung mehrerer Systeme nicht möglich ist. Grund hierfür sind die Interferenzen, welche durch Reflektionen der verschiedenen Signale entstehen. In diesen für Funksysteme sehr extremen Umgebungen kann nicht mit mehreren Sendern nebeneinander gearbeitet werden. Deshalb ist es nicht nur ratsam, sondern zwingend notwendig in solchen Fällen vor der Montage ausgiebig zu testen ob die Systeme wie gewünscht funktionieren.

Verstärkung

Wenn mehrere Signale (der gleichen Quelle oder von verschiedenen Quellen) zusammen kommen entsteht Interferenz. Diese kann nicht nur negativen Effekt haben, sondern unter Umständen zu einer Erhöhung der Reichweite führen. Eine solche Interferenz kann auch herbeigeführt werden, wenn Signale durch Reflexionen auf den gleichen Pfad gelangen.

Schattenfunksignale
Abbildung 5: Hindernisse wie Mauern absorbieren und reflektieren das Signal

3. Wie optimiere ich die Reichweite?

Neben der Wahl der richtigen Funksteuerung und dem Vermeiden von Störungsquellen hat auch die Positionierung von Empfänger und Antenne großen Anteil am Optimieren der Reichweite. Daher sollten Sie die folgenden Punkte berücksichtigen, um die Reichweite Ihres Systems zu optimieren:

  • Bei mehreren Empfängern platzieren Sie diese in einem Abstand von mindestens 50 cm.
  • Stellen Sie den Empfänger oder die Antenne niemals direkt gegenüber oder auf einen Metallgegenstand. Halten Sie einen Mindestabstand von 50 cm ein.
  • Installieren Sie den Empfänger oder die Antenne maximal 3 bis 4 Meter über der Arbeitsebene. Eine höhere oder niedrigere Position gegenüber der Arbeitsebene verringert die Reichweite.
  • Platzieren Sie den Empfänger mindestens 50 cm von Motoren oder anderen Geräten entfernt, die ein Kraftfeld erzeugen können.
  • Platzieren Sie den Empfänger mit der Antenne niemals in einem Schaltschrank, einer Kabine oder einem ähnlichen (Metall-) Gehäuse auf.
  • Wenn Sie den Empfänger ungünstig platzieren müssen, können Sie die Antenne in der Regel mithilfe eines Antennenverlängerungskabels an einem anderen Ort anbringen. (siehe Bild 6).
  • Wenn möglich sorgen Sie dafür, dass während des Betriebs eine Sichtverbindung zum Empfänger besteht.
  • Bei Anwendungen, bei denen auf gleicher Höhe gearbeitet wird, wie z.B. bei Winden oder Schachtsteuerungen, ist es am besten, wenn Sie Empfänger und Antenne vertikal anbringen.
  • Bei Anwendungen mit großen Höhenunterschieden, wie z.B. in der Aufzugstechnik, ist es manchmal besser, wenn Sie den Empfänger mit der Antenne horizontal anbringen.
Daempfung-von-Funksignalen-verhindern
Abbildung 6: Wenn keine Sichtverbindung möglich ist, sorgen Sie dafür dass das Signal den kürzest möglichen Weg durch das Hindernis überbrücken muss.

Positionierung von Sender und Empfänger

Position des Senders: Im Allgemeinen muss der Handsender vertikal gehalten werden, um eine möglichst große Reichweite zu erzielen. Dies hängt auch von der Antennenposition des Senders im Gehäuse ab.

Position des Empfängers: Stellen Sie die Antenne immer vertikal auf, es sei denn, der Empfänger befindet sich weit über Ihnen. In diesem Fall kann es besser sein, die Antenne horizontal aufzustellen.

Ein Beispiel: Viele Anwender platzieren einen Empfänger mit einer vertikalen Antenne hoch oben im First einer Produktionshalle, vorzugsweise direkt über der zu bedienenden Maschine. Die Argumentation dafür lautet: Es besteht immer eine Sichtverbindung zum Handsender. Dies hat jedoch keinen positiven Effekt. Würde man das Signal als „Donut“ um die Sender- und Empfängerantenne herumziehen, wird deutlich, dass unter der Antenne ein toter Winkel entsteht. Daher empfehlen wir, den Empfänger in einer Höhe von 2 Metern oder die Antenne horizontal zu platzieren.

Antennenposition-Donut-Effekt
Abbildung 7: Zu hohe oder zu niedrige Montage der Antenne hat negativen Effekt auf die Reichweite. Das Signal verbreitet sich in einem eingeschränkten Winkel um die Antenne herum, nicht dorthin, wo die Antenne hin “zeigt“.

Geräte auf der gleichen Frequenz

Sorgen Sie dafür, dass in der Nähe des Empfängers keine drahtlosen Geräte auf der gleichen Frequenz betrieben werden. Dies kann den Betrieb und die Reichweite des Systems beeinträchtigen.

Extreme Störquellen

Da Funksignale durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden, empfehlen wir Ihnen, die Sender und Empfänger zu diesem Zweck abzuschirmen oder mit Abstand zu platzieren. Als Störquellen kommen Frequenzumrichter, Wechselrichter, Transformatoren, Beleuchtungsmasten und Haushaltsgeräte wie z.B. ein Mikrowellenherd in Betracht.

Antenne

Es gibt zwei Grundarten von Antennen::

  • die Empfangsantenne, die Funksignale empfängt und in Wechselstrom umwandelt,
  • die Sendeantenne, die mit einem Wechselstrom gespeist wird und diesen in ein Funksignal umwandelt

In ihrer einfachsten Form ist eine Antenne ein leitender, dünner Draht. Die Antenne macht sich das Phänomen zunutze, dass elektromagnetische Wellen in Leitern einen Wechselstrom erzeugen (beim Empfangen) und umgekehrt, dass Wechselstrom elektromagnetische Wellen erzeugt (beim Senden).

Die Länge der Antenne ist vom genutzten Frequenzband abhängig. Für das 433 MHz Frequenzband wird meist eine Antenne von 16,5 Zentimetern (vom Sockel), während für den 868 MHz Bereich meist eine mit 8,2 Zentimetern halb so lange Antenne genutzt wird. Für SMA-Antennen gelten andere Maße. Zwischen Länge der Sende- und Empfangsantenne besteht kein Unterschied. Die Länge der Antenne ist nicht ausschlaggebend für die Reichweite der Funksteuerung, also ist die Annahme „lange Antenne bedeutet hohe Reichweite“ schlichtweg falsch.

Ein ordnungsgemäßer und ungestörter Betrieb der Antenne ist für die Reichweite des Funksignals von entscheidender Bedeutung. Dinge wie die Korrosion eines Drahtes oder eines Steckers, Kabelbruch oder eine falsche Antennenplatzierung wirken sich unmittelbar negativ auf die Reichweite aus.

Installation der Antenne an Schaltschränken

Wenn Sie einen Empfänger in einem Schaltschrank installieren, empfehlen wir die Antenne über ein Antennenverlängerungskabel herauszuführen. Der meist metallische Schaltkasten funktioniert wie ein Faraday’scher Käfig, sodass kein Signal in diesen eindringen kann. Allerdings haben auch die Verlängerungskabel eine gewisse Dämpfung, daher gilt: so lang wie nötig, so kurz wie möglich.

Montage der Antenne auf einer Platte/ Stahloberfläche

Wenn eine Platte oder eine Stahloberfläche unter der Antenne angebracht wird, ist dies der Antennenleistung förderlich. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Monopolantenne eine vertikale Grundplatte wie eine Fläche zur Reflexion der Radiowellen fungiert. Zur korrekten Funktionsweise muss die Antennengrundplatte (leitende Oberfläche) mindestens eine Viertel-Wellenlänge lang sein (berechnet vom Fuß der Antenne).

4. 433 MHz oder 868 MHz? Schmalband oder Breitband?

433 oder 868 MHz?

Die Wahl des richtigen Frequenzbandes, also 433 MHz oder 868 MHz, kann ebenfalls direkten Einfluss auf die Reichweite haben. Rein technisch ist davon auszugehen dass das 433 MHz Frequenzband eine höhere Reichweite erreichen kann, allerdings ist das Band aufgrund der hohen Auslastung anfälliger für Störungen, als das 868 MHz Band.

Da die Wellenlänge der Funksignale weiter ist, können die Funkwellen auf dem 433 MHz Frequenzband größere Abstände überbrücken und haben einen bessere Material-Durchdringbarkeit, Funksignale mit kürzeren Wellenlängen. Höhere Frequenz bedeutet kürzere Wellenlänge.

In der Praxis gleichen sich diese Vor- und Nachteile oft gegeneinander aus, sodass man grundsätzlich für beide Frequenzbänder die gleiche Reichweite voraussetzt.

Schmalband oder Breitband?

In der Funkkommunikation wird das Band als derjenige Frequenzbereich bezeichnet, der in dem betreffenden Kanal verwendet wird. Je nach der Größe des Bandes, gemessen in kHz, MHz oder GHz, sowie einigen anderen Eigenschaften können sie als schmalbandig oder breitbandig kategorisiert werden.

Breitbandkommunikation

Die Breitbandkommunikation nutzt – wie der Name schon sagt – einen größeren Teil des Spektrums aus. Dies bietet einige Vor- aber auch Nachteile:
Die Breitbandkommunikation bietet eine höhere Bandbreite und damit eine schnellere Kommunikation. Diese Art der Kommunikation ermöglicht es, schmale Rauschquellen im Spektrum herauszufiltern. Es ist jedoch schwieriger, Breitbandsignale zu übertragen und zu erkennen; dies erfordert ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis. Die Signalenergie wird über die Breite des Spektrums verteilt, sodass das Signal bei zunehmender Verbreiterung schwächer wird (unter der Annahme eines bestimmten Leistungspegels).

Schmalbandkommunikation

Schmalbandkommunikation verwendet eine schmale Bandbreite. Diese Signale werden oft bei langsameren Formen der Kommunikation verwendet, in der hauptsächlich Sprache oder langsame Datenflüsse übertragen werden. Schmalbandige Signale haben in der Regel einen viel größeren Empfangsbereich, da schmalere Filter verwendet werden können und somit unerwünschtes Breitbandrauschen eliminiert wird. Auch die abgestrahlte Energie konzentriert sich auf einen kleineren Teil des Spektrums. Die Schmalbandtechnologie wird besonders dann eingesetzt, wenn eine gute Verbindung bei größeren Entfernungen oder unter störenden Bedingungen (metallreiche Umgebung) erreicht werden soll.

2,4 GigaHertz

DExtrem weit verbreitet ist auch die Nutzung des 2,4 GHz Frequenzbandes. Es scheint der einfachste Weg zu sein, da dieses Band weltweit frei nutzbar ist. Es ist das einzige Frequenzband, das in allen Ländern ohne Zusatzgenehmigung genutzt werden darf. Das hat allerdings einen großen Nachteil: Das Band wird enorm viel genutzt und hohe Reichweiten oder stabile Kommunikation sind nur selten realisierbar.

Der unproblematische Zugang macht die 2,4 GHz sehr populär und vor allem auch für den nichtprofessionellen Einsatz interessant. Modellbau, Drohnen oder WLAN Router arbeiten oft auf dieser Frequenz.

Tyro Remotes nutzt diese Bandbreite nicht, da stabile Verbindungen und hohe Reichweite auf 2,4 GHz nicht gewährleistet werden können.

LBT und AFA

Verschiedene Schmalbandsysteme verwenden LBT- / AFA-Technologie („Listen Before Talk“ / „Adaptive Frequency Agility“). Bei diesen Technologien wird zunächst geprüft, ob der Kanal frei ist. Ist dies der Fall, wird eine Verbindung auf diesem Kanal aufgebaut. Ist dies nicht der Fall ist, wird der nächstfolgende Kanal überprüft und gegebenenfalls genutzt.

5. Prüfung und Verifizierung

All unsere Systeme sind so entwickelt worden, dass sie unter normalen Umständen über eine optimale Reichweite verfügen.
Wie beschrieben, gibt es eine ganze Reihe von äußeren Einflüssen, die diesen Bereich sowohl positiv als auch negativ beeinflussen können. Daher empfehlen wir in Situationen, in denen Reflexionen, Dämpfung oder externe Störquellen vorhanden sind, zunächst zu prüfen, ob die Reichweite in diesen Fällen für Ihre Anwendung ausreicht.

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