Mobilfunkantenne in 3D: Tilt und Richtwirkung verstehen

Wie lenkt eine Mobilfunkantenne ihr Signal? In dieser interaktiven 3D-Ansicht veränderst du die Neigung, den Öffnungswinkel und die Frequenz. Du siehst, wie sich die Richtwirkung im Lernmodell verändert, und kannst das Gehäuse für einen Blick auf den schematischen Innenaufbau öffnen.

Inhalt dieser Seite

• So bedienst du die Ansicht
• Die Regler einfach erklärt
• Senderleistung und EIRP vergleichen
• Die Anzeige richtig lesen
• Modellannahmen und Rechenweg
• Was das Modell ausblendet
• Quellen und weiterführende Artikel

So bedienst du die Ansicht

Beginne mit den Ansichten „Seite“ und „Draufsicht“. Von der Seite erkennst du die Neigung nach unten. Von oben siehst du, wie breit der Sektor seitlich abstrahlt. „3D drehen“ zeigt die räumliche Form; ein weiterer Klick dreht die Kamera ein Stück weiter. Mit der Maus kannst du die Darstellung auch frei drehen.

Unter „Antennendetail“ kommst du näher an die vordere Antenne. Dort lässt sich mit „Gehäuse öffnen“ die Abdeckung abnehmen. Sichtbar werden acht beispielhafte Kreuzdipole, Zuleitungen und ein Reflektor. Währenddessen ist die farbige Keule ausgeblendet, damit du den Innenaufbau besser sehen kannst.

Auf dem Smartphone scrollst du zunächst wie gewohnt über die Ansicht. Für eine freie Drehung schaltest du „Drehen per Finger“ ein und anschließend wieder aus. Mit der Tastatur erreichst du die Darstellung über die Tabulatortaste und drehst sie mit den Pfeiltasten. „Zurücksetzen“ stellt alle Ausgangswerte und die räumliche Übersicht wieder her.

Die Regler einfach erklärt

Elektrischer Tilt: Der Hauptstrahl wandert nach unten

„Tilt“ bedeutet Neigung. Beim elektrischen Tilt bleibt das Antennengehäuse stehen. Unterschiedliche Phasen der Signale an den Antennenelementen verändern die Richtung, in der sich die abgestrahlten Wellen am stärksten verstärken. Im Modell neigst du den Hauptstrahl zwischen 0° und 15° nach unten. Das lässt sich besonders gut in der Seitenansicht verfolgen.

Mechanischer Tilt: Die ganze Antenne kippt

Hier wird das Gehäuse am Mast geneigt. Die Antenne und ihr gesamtes Richtdiagramm drehen sich gemeinsam. Stelle zum Vergleich erst den elektrischen, dann den mechanischen Tilt auf denselben Wert. Der Unterschied wird an der Lage des Gehäuses sichtbar. In der vorderen Symmetrieebene addieren sich beide Neigungen im Modell: 6° elektrisch und 4° mechanisch ergeben dort 10° abwärts.

Öffnungswinkel: Wie breit ist der Sektor?

Der Öffnungswinkel beschreibt die horizontale Breite der Hauptkeule. Gemessen wird zwischen den beiden Richtungen, in denen die Leistung jeweils auf die Hälfte des Maximalwerts gesunken ist. Das entspricht −3 dB. Ein Winkel von 65° bedeutet also etwa 32,5° zu jeder Seite der Hauptrichtung. Auch außerhalb dieses Winkels wird noch Leistung abgestrahlt.

Mit 30° bündelt das Modell stärker nach vorn, mit 120° verteilt es die Leistung breiter. Der Regler vergleicht verschiedene Richtcharakteristiken. Bei einer konkreten passiven Sektorantenne wird der Öffnungswinkel durch ihre Konstruktion bestimmt; welche Varianten oder Einstellmöglichkeiten es gibt, steht im jeweiligen Datenblatt.

Frequenz: Warum ändern sich Länge und Form?

Die Frequenzauswahl reicht von 700 bis 2600 MHz. Für diesen Vergleich bleibt die wirksame Antennenlänge in vertikaler Richtung gleich. Bei höherer Frequenz wird die vertikale Hauptkeule dadurch schmaler. Die horizontale Breite stellst du unabhängig davon mit dem Öffnungswinkel ein.

Die Frequenz verändert auch die Länge der Keule. Als gemeinsame Referenz dienen 1800 MHz und ein Öffnungswinkel von 65°. Bei niedrigerer Frequenz ergibt die Freiraumrechnung eine größere Vergleichsreichweite, bei höherer Frequenz eine kleinere. In der Einstellung „Gleiche Senderleistung“ wird zusätzlich der veränderte Richtgewinn aus dem Antennenmodell berücksichtigt. Die schmalere vertikale Keule bei höherer Frequenz bündelt stärker; das gleicht einen Teil des Frequenzeinflusses aus.

Für den Empfang setzt das Modell über alle Frequenzen denselben Antennengewinn in dBi und dieselbe Empfangsschwelle an. Reale Mehrbandantennen und Smartphones haben bandabhängige Eigenschaften. Für deren Bewertung brauchst du passende Geräte- und Antennendaten. Die Modellkeule zeigt den Vergleich unter den hier festgelegten Annahmen.

Senderleistung und EIRP vergleichen

Im Auswahlfeld „Leistungsvergleich“ legst du fest, was beim Ändern von Öffnungswinkel und Frequenz gleich bleiben soll:

• Gleiche Senderleistung: Die gesamte abgestrahlte Leistung bleibt im verlustfreien Modell gleich. Eine engere Bündelung erhöht die Leistung in der Hauptrichtung. Die Modellreichweite im Hauptstrahl wächst.
• Gleiche EIRP im Hauptstrahl: Die Leistung in der Hauptrichtung bleibt gleich, ausgedrückt als Leistung eines gedachten Rundumstrahlers. Das Modell passt dafür die Senderleistung an den jeweiligen Richtgewinn an. Bei einer Änderung des Öffnungswinkels bleibt die Hauptstrahlreichweite gleich. Bei einem Frequenzwechsel verändert sie sich weiterhin durch den Frequenzfaktor der Freiraumrechnung.

Zum Ausprobieren: Wähle 1800 MHz, 6° elektrischen Tilt und 0° mechanischen Tilt. Verenge den Öffnungswinkel von 65° auf 30°. Bei gleicher Senderleistung zeigt das Modell rund 3,1 dB mehr Richtgewinn und die 1,42-fache Reichweite im Hauptstrahl. Wechsle anschließend auf gleiche EIRP: Der Reichweitenfaktor beträgt nun 1,00. Diese Zahlen entstehen aus den Annahmen dieses Lernmodells.

Die Anzeige richtig lesen

Die blaue Fläche veranschaulicht, wie weit das Signal unter den Modellbedingungen in die verschiedenen Richtungen reichen würde. Je weiter eine Stelle vom Ursprung entfernt ist, desto größer ist die berechnete relative Reichweite in dieser Richtung. Die gestrichelte Kontur markiert die Richtungen mit 3 dB weniger Leistung als im Hauptmaximum.

Unter der Ansicht stehen drei Werte:

• Modellreichweite im Hauptstrahl: 1,00× bezeichnet den 65°-Sektor bei 1800 MHz und dem jeweils eingestellten elektrischen Tilt. Alle Frequenzen werden mit dieser Referenz verglichen. 1,42× entspricht rund 42 Prozent mehr Entfernung unter den Modellbedingungen.
• Richtgewinnänderung: Sie zeigt, wie sich die Bündelung gegenüber dem 65°-Sektor bei 1800 MHz und gleichem elektrischem Tilt verändert. Öffnungswinkel und frequenzabhängige vertikale Breite gehen darin ein. Der Wert ist eine Differenz in dB.
• Strahlrichtung: Die Neigung des Hauptstrahls in der vorderen Symmetrieebene. Dort werden elektrischer und mechanischer Tilt addiert.

Frequenzvergleich zum Ausprobieren: Wähle „Gleiche EIRP im Hauptstrahl“. Bei 700 MHz beträgt der Reichweitenfaktor rund 2,57×, bei 1800 MHz 1,00× und bei 2600 MHz rund 0,69×. Bei gleicher Senderleistung fallen die Unterschiede anders aus, weil dann auch der Richtgewinn der Antenne eingeht. Die Kamera behält beim Regeln denselben Maßstab. Bodenraster, Mast und Person dienen der Orientierung und haben keinen Metermaßstab.

Die Ansicht schneidet die Keule an der gezeichneten Bodenebene ab. Der angezeigte Reichweitenfaktor beschreibt den berechneten Hauptstrahl auch dann, wenn ein Teil der Keule unterhalb dieser Ebene liegen würde. Eine Wechselwirkung der Funkwelle mit dem Boden wird dabei nicht simuliert.

Modellannahmen und Rechenweg

Die Ansicht verwendet ein frei parametriertes Ersatzdiagramm für einen einzelnen Sektor. Seine Form lehnt sich an die quadratischen Dämpfungsansätze aus 3GPP TR 38.901, Tabelle 7.3-1, an. Die dort beschriebene Elementmaske und ein vollständig berechnetes Antennenarray sind vom hier verwendeten Sektormodell zu unterscheiden. Die Modellparameter sind für die Erklärung gewählt.

• Vertikale Breite: Bei 1800 MHz beträgt sie 9°. Für die anderen Frequenzen wird sie mit 1800 MHz geteilt durch die gewählte Frequenz skaliert. Die horizontale Breite bleibt separat einstellbar.
• Elektrische Neigung: Das Maximum wird idealisiert im vertikalen Richtdiagramm verschoben. Die mechanische Neigung dreht anschließend das ganze Diagramm im Raum.
• Leistungsbilanz: Der Richtfaktor wird durch numerisches Aufsummieren des Diagramms über den gesamten Raum ermittelt. Der Wirkungsgrad ist auf 100 Prozent gesetzt; Verluste in Kabeln und Antenne entfallen.
• Relative Reichweite: Angenommen werden freie Ausbreitung im Fernfeld, gleicher Empfangsantennengewinn in dBi und dieselbe Empfangsschwelle. Die gemeinsame Referenz ist ein 65°-Sektor bei 1800 MHz mit gleichem elektrischem Tilt. Die Entfernung enthält den Frequenzfaktor 1800 MHz geteilt durch die gewählte Frequenz. Bei gleicher Senderleistung kommt die Quadratwurzel des Richtgewinn-Verhältnisses hinzu.
• Empfangsantenne: Der konstante Gewinn in dBi ist eine Modellannahme. Ihre wirksame Empfangsfläche verändert sich dabei mit der Frequenz. Das Verhalten eines bestimmten Smartphones wird damit nicht nachgebildet.
• Innenaufbau: Die gezeichneten Dipole und Leitungen erläutern ein Bauprinzip. Das Ersatzdiagramm wird unabhängig davon berechnet. Die übrigen Antennen am Mast und die Richtfunkschüssel dienen der räumlichen Orientierung.

Die Formeln des Lernmodells

Die relative Dämpfung lautet A = min(12 · (α/H)² + 12 · ((ε + tₑ)/V)², 30) in dB. Dabei ist α der seitliche Winkel, ε der Höhenwinkel vor der mechanischen Drehung, H der horizontale Öffnungswinkel, V die vertikale Breite und tₑ der elektrische Tilt. Alle Winkel werden in Grad eingesetzt.

Mit V = 9 · 1800 / f und f in MHz ergibt sich die vertikale Breite in Grad. Die Dämpfung wird bei 30 dB begrenzt. Der Diagrammradius in einer Richtung wird mit 10^(−A/20) skaliert. Dadurch wird die aus der Freiraumbeziehung abgeleitete relative Entfernung dargestellt.

Aus dem über den Raum integrierten linearen Leistungsdiagramm ergibt sich der Richtfaktor D. Bei gleicher Senderleistung gilt r/r_ref = (1800/f) · √(D/D_ref). Bei gleicher Hauptstrahl-EIRP gilt r/r_ref = 1800/f. Die Frequenz f wird in MHz eingesetzt. D_ref bezeichnet den Richtfaktor bei 1800 MHz, 65° Öffnungswinkel und dem aktuellen elektrischen Tilt. Die mechanische Drehung ändert den Richtfaktor nicht. Empfangsantennengewinn in dBi und Empfangsschwelle werden in beiden Fällen konstant gehalten.

Was das Modell ausblendet

Die Ansicht hilft dir, Neigung, Bündelung und Leistungsannahmen getrennt zu betrachten. Für die Versorgung eines tatsächlichen Standorts fehlen Gelände, Gebäude, Vegetation, Abschattung, Beugung und Reflexionen. Auch die Wechselwirkung mit dem Boden wird nicht berechnet; die Wiese ist Teil der Darstellung.

Weitere Einflüsse bleiben offen: Nebenkeulen eines realen Arrays, Polarisationsverluste, gegenseitige Kopplung der Elemente, Anpassungs- und Kabelverluste sowie Änderungen des Wirkungsgrads beim Schwenken. Der schematische Innenaufbau enthält weder eine HF-Schaltungssimulation noch eine Berechnung von Massive MIMO oder digitalem Beamforming.

Ebenso fehlen die Rückrichtung vom Smartphone zur Basisstation, Störungen durch andere Sender, Zelllast und die Verarbeitung im Mobilfunknetz. Datenraten, Empfangsbalken, Grenzwerte oder die Versorgung einer Adresse lassen sich aus dieser Ansicht daher nicht bestimmen. Für die Standortbewertung brauchst du passende Planungsdaten und Messungen vor Ort.

Quellen und weiterführende Artikel

• 3GPP TR 38.901 V19.1.0, Abschnitt 7.3, Tabelle 7.3-1: Ausgangspunkt für die Form des vereinfachten Dämpfungsansatzes; hier frei parametriert und als Sektordiagramm verwendet.
• Keysight: How to Design and Test a Phased Array Antenna, PDF-Seiten 4–5 und 16–17: Phasensteuerung, Bündelung und wirksame Apertur.
• H. T. Friis: A Note on a Simple Transmission Formula, 1946: Grundlage des relativen Freiraumvergleichs und dessen Fernfeldannahme.
• Kathrein: Dual-polarised crossed dipole and antenna arrangement, Beschreibung des technischen Hintergrunds: Orientierung für das schematische Bauprinzip mit Kreuzdipolen und Reflektor. Die Zeichnung rekonstruiert kein konkretes Produkt.

Bei LTEmobile findest du dazu die Artikel 5G-Sendereichweiten mit unterschiedlichen Frequenzen, 5G-Frequenzen und Frequenzbänder und LTE-Verfügbarkeit und Empfang prüfen.