Reichweite von RC-Fernsteuerungen

Da nicht nur in unserem Verein immer wieder die Rede von Störungen der Fernsteueranlagen ist, soll diese Seite versuchen ein bisschen Licht in die Problematik "Reichweite" zu bringen.

Neben den theoretischen Betrachtungen habe ich einige Messungen mit einem selbstgebauten Datenlogger durchgeführt welche die Theorie verdeutlichen sollen.
Mit den Messungen stehe ich allerdings erst am Anfang, d.h. die Seite wird, sollte ich noch interessantes feststellen, entsprechend ergänzt.
Sollte jemand Ideen zu interessanten Messaufbauten haben, bin auch gern bereit, entsprechend meiner Möglichkeiten, Messungen durchzuführen.

(Der benutzte Datenlogger wurde eigentlich zur Datenerfassung der Höhe / Geschwindigkeit / und von vier RC-Kanälen  entwickelt und gebaut. Er lässt sich aber natürlich auch für andere Messungen einsetzen, vergleiche auch Datenlogger.) 

aber nun zum Thema:
Achtung: die folgenden Betrachtungen können natürlich nur einen Teil des Gesamtproblems aufzeigen!

Die Reichweite von RC-Anlagen

In der Praxis habe ich immer wieder feststellen müssen, dass es dem einen Modellflieger gelingt, eine sehr große Entfernung ohne Störungen zu überbrücken. Andere Modellflieger dagegen haben schon Störungen bei relativ kleinen Entfernungen.

Es geht also um die Frage: Bis zu welcher Entfernung lässt sich ein Flugmodell noch sicher steuern?

Die folgende Abbildung zeigt das mit einem Graupner-C12-Empfänger empfangene Signal und die Impulsbreite eines Kanalimpuls in Abhängigkeit von der Entfernung (auf unserem Modellflugplatz gemessen).


Abb.1 Automatische Verstärkungsreglung (AVR), Eingangsspannung des Empfängers und Kanalimpulslänge in Abhängigkeit von der Entfernung bei senkrechter Empfangsantenne

Messaufbau zu Abb.1:
- Sender (MC-16) am Boden, Sendeantenne ca. 30° nach oben gerichtet
- Empfangsantenne senkrecht nach oben gerichtet (ca. 2m Höhe)
- gemessen wurde die AVR des Empfängers (umgekehrt proportional zur Empfangsfeldstärke), (je kleiner, desto besserer ist der Empfang)
- Aus der AVR wurde die jeweils an der Antenne anliegende Spannung (= Eingangsignal des Empfängers) berechnet, (nachdem die Abhängigkeit der AVR von der Eingangsspannung in einem Kalibrierlabor ermittelt werden konnte, und Peter Rother daraus eine passende Formel finden konnte).
- RC-Kanalimpuls: 0% bedeutet 1ms-Impulslänge (z.B. Servo Vollausschlag rechts) / 100%: 2ms Impulslänge (z.B. Vollausschlag links) / 50%: 1,5ms-Impulslänge (Mittelstellung Servo)
- die Spitze bei ca. 300m könnte z.B. durch Reflexionen von Gebäuden hervorgerufen sein.

In der Abbildung 1 ist erkennbar, daß das Signal im gesamten Bereich empfangen wurde (AVR ist stets im Regelbereich (Ende des Regelbereiches der AVR liegt bei ca. 2,8V), was einem Eingangssignal von < 2uV entspricht).
Die Qualität des Kanalimpulses wird aber immer schlechter (Servoposition bei 0 .. 30m: absolut konstante Impulslänge / bei 100m: Servozittern ca. ±0,7% / bei 250m ca. ±1,3% / bei 350m ca. ±4% bezogen auf Vollausschlag, d.h. bei einem Ruderausschlag von ±2,5cm zittert das Ruder hier bereits um ±2mm).


Abb. 2 gleicher Messaufbau wie Abb. 1 aber Empfangsantenne zeigt in Richtung des Senders

Vergleicht man beide Abbildungen aufmerksam, so wird klar, dass Reichweite nicht gleich Reichweite ist.
Bei gleicher Entfernung ist bei der Abb. 2 die AVR größer als in der Abb. 1. Bei ca. 320m geht das Servo sogar kurz auf Vollausschlag. Bei 380m schaltet der Logger sogar ab, da gar kein Kanal-Impuls mehr messbar ist. Die Empfängereingangsspannung muss bei diesem Aussetzer bei ca. 1,5uV liegen.

Einige theoretische Betrachtungen zum Thema

An dieser Stelle sollen die Abhängigkeiten der einzelnen Größen kurz genannt werden (Bei Bedarf kann ich auch gern ein paar Formeln zur Verfügung stellen). Aus dem bisher erläuterten ergibt sich eine sehr wichtige Schlussfolgerung:
Der Einfluss des Empfängers auf die Reichweite ist etwa zwei bis vier mal so groß, wie der Einfluss des Senders.
Deshalb sollte man bei Reichweiteproblemen vor allen den Empfänger und speziell dessen Antenne einer Prüfung unterziehen.
Auf den ersten Blick mag man vielleicht glauben, doppelt ist ja einzusehen, aber vierfach, da kann was nicht stimmen .
Der Hauptgrund hierfür sind Reflexionen des Signals am Erdboden, welche auf Grund der geringen Höhe der Sendeantenne beim Modellflug einen ziemlich großen Einfluss haben.
Einige dieser genannten Größen (z.B. Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit) sind durch den Erwerb einer Fernsteueranlage eines bestimmten Typs bereits festgelegt und können (und dürfen) nicht durch den Nutzer verändert werden. Auf andere Größen kann man jedoch selbst Einfluss nehmen. Die Möglichkeiten sollen kurz näher betrachtet werden:

Eine vielfach unterschätzte Tatsache, welche sich auf die Reichweite auswirkt, ist durch das Antennendiagramm der verwendeten Sende- und Empfangsantennen begründet.

Die Sendeantenne (l/4-Stabantenne) strahlt das elektromagnetische Feld nicht in alle Richtungen gleichmäßig gut aus. Ebenso empfängt die Empfangsantenne das Feld aus unterschiedlichen Richtungen nicht gleich gut, d.h. es gibt günstige und weniger günstige Antennenpositionen bzw. -richtungen.


    Abb. 3 Empfangsbedingungen bei unterschiedlichen Richtungen der Sendeantenne zum Empfänger


Abb. 4 Empfangsbedingungen bei unterschiedlichen Richtungen der Empfangsantenne zum Sender (Empfangsantenne längs nach hinten eingebaut)

Wie in den Abbildungen zu erkennen verringert sich die Reichweite, wenn man mit der Sendeantenne auf das Modell "zielt" ebenso wie wenn das Modell direkt auf den Sender zu fliegt (oder auch weg).

Einige praktische Messung sollen das verdeutlichen:


Abb. 5 AVR und Empfängereingangsspannung beim horizontalen Drehen der Sendeantenne um 360°


Abb. 6 AVR und Empfängereingangsspannung beim horizontalen Drehen der Empfangsantenne

Messaufbau zu Abb. 5 und 6:
- Empfänger und Sender ca. 1m Höhe, Distanz ca. 100m
- Sendeantenne bzw. Empfangsantenne im Kreis gedreht.
- geringere Empfängereingangsspannung wenn Sendeantenne in Richtung Empfänger zeigt (bzw. Empfangsantenne in Richtung Sender)

Schlussfolgerung:
Nun kann man sich zwar bemühen, die Sendeantenne nie in Richtung des Empfängers zu halten, das Modell wird aber mit Sicherheit während des Fluges genau in Richtung des Sender fliegen oder von ihm weg. Ist die Empfangsantenne dabei gerade nach hinten verlegt, gibt es in geringen Höhen mit Sicherheit Reichweitenprobleme.

Dazu habe ich auch eine Messung während des Fluges durchgeführt:
Auf den Elektroschlepper Huckepack einen zweiten C-12-Empfänger mit gleichem Quarz geschnallt und dessen Empfangsantenne längs nach hinten verlegt (der eigentliche Empfänger hat L-förmige Antenne).
Dann ein Flug mit Datenerfassung durchführen, wobei bewusst in geringen Höhen genau in Richtung des Senders geflogen wurde.


Abb. 7 AVR, Kanalimpuls (Motor) und Höhe während des Fluges
zu Abb. 7:
0s: das Modell fliegt in einer geschätzten Entfernung von 300m in etwa 80m Höhe, Empfangsantenne zeigt 90° zum Sender -> guter Empfang (Empfängereingangsspannung ca. 20mV)
2 .. 5s: das Modell dreht in Richtung Sender, die Höhe verringert sich -> Empfang verschlechtert sich zunehmend obwohl das Modell immer näher kommt.
5 ..11,5s: fast geradliniger Anflug in Richtung Sender (bei 5,5s und 7s muss die Empfangsantenne ziemlich genau vom Sender weg zeigen, bei 7,5s setzt Empfang kurzzeitig (<0,5s) aus (Eingangsspannung < 2mV)).
11,5s: Vorbeiflug in 20m Höhe, ca. 30m Entfernung (Empfangsantenne wieder ca. 90° zum Sender) -> guter Empfang.
12 .. 16s: Wegflug (bei 16s zeigt Empfangsantenne wieder in Richtung des Senders)
usw.

Wie andere Messungen mit einem Speedsensor ergeben haben, fliegt das Modell bei einem solchen Flug mit einer Geschwindigkeit von ca. 30m/s. Da der Aussetzer ca. 4s vor dem Vorbeiflug auftrat, muss sich das Modell in nur ca.120m Entfernung befunden haben!!!

Wie auch dieser Flug zeigt, ist die Reichweite extrem von der Position (Richtung) der Empfangsantenne abhängig. 


Die nächste Messung zeigt den Einfluss der Höhe der Empfangsantenne auf die Empfängereingangsspannung und somit letztendlich auch auf die Reichweite:


Abb. 8 veränderte Empfangsbedingungen beim hoch und runter der Empfangsantenne

Messaufbau zu Abb. 8:
- Empfänger und  Datenlogger an einem Holzstab befestigt und unter einem Modellhubschrauber gehangen.
- Empfangsantenne zeigt senkrecht nach unten.
- Sender in der Hand gehalten Sendeantenne ca. 70° nach oben / Distanz ca. 150m.
- Hubi macht Standschwebe (-> etwa konstante Entfernung) in verschiedenen Höhen.

Wie in der Abb. 8 zu sehen ist, verbessert sich der Empfang  deutlich wenn das Modell sich in einer größeren Höhe befindet, oder anders gesagt besonders bei der Landung (geringe Höhe) kann es Reichweiteprobleme geben. 


Kann man was zur Verbesserung der Reichweite tun?

Ja, man kann dies, indem man nie mit der Sendeantenne auf das Modell zeigt und die Empfangsantenne günstig im Modell einbaut.

Aus dem bisher gezeigtem geht hervor, dass der Einbau der Empfangsantenne längs nach hinten nicht unbedingt die günstigste Einbauposition ist, da besonders im Landeanflug (wo auch die Höhe gering ist) die Antenne direkt vom Sender weg zeigt.

Würde man die Antenne längs in die Tragfläche einbauen, hätte man dieses Problem nicht mehr, allerdings zeigt dann die Antenne beim Kreisen möglicherweise auf den Sender. Da dies in der Regel in größeren Höhen geschieht eignet sich diese Einbaulage schon besser.

Die beste Einbauposition der Antenne im Modell ist deshalb senkrecht nach oben oder unten. Hier würde die Antenne nur in extremen Fluglagen auf den Sender zeigen.
Die Realisierung ist allerdings nicht so einfach, da es im Modell keine Teile gibt, die 1m senkrecht nach oben (unten) zeigen. Die Lösung hierbei kann aber eine Schleppantenne in langsam fliegenden Modellen sein, oder eben eine stabile Stabantenne auf dem Modell.

Die andere, in vielen Fällen einfacher zu realisierende Möglichkeit ist die L-förmige Verlegung der Empfangsantenne (z.B. nach hinten und dann am Seitenleitwerk herauf oder am Höhenleitwerk entlang).
Diese Verlegung hat den Vorteil, dass beim Anflug direkt auf den Sender zu das abgeknickte Antennenstück noch genügend empfängt.

Wer aber glaubt, dies ist der Wesheit letzte Schluß, dem sei gesagt, daß es bei dieser Antennenverlegung ebenfalls bestimmte Winkel gibt, in dem sich das Signal des abgeknickten Antennenstückes mit dem Signal der restlichen Antenne aufheben können. Für mehr Reichweite beim Landeanflug ist die Methode jedoch ganz gut geeignet.


Abb. 9 Empfangsbedingungen beim L-förmigen Antenneneinbau

Wenn oben immer wieder von "der Richtung genau zum Sender hin" gesprochen wurde, ist dies jedoch nur eine vereinfachte Aussage. Durch die Reflexionen am Boden ist diese Richtung in Wirklichkeit die zusammengesetzte Richtung aus direktem und reflektiertem Signal.


Einfluss von parallel zur Antenne liegenden leitenden Teilen

Die Betrachtungen von oben gehen alle davon aus, dass die Antenne in einem Holz- oder Plast-Rumpf angebracht ist und sich keine metallischen Gegenstände in der Nähe befinden.
Was passiert nun aber, wenn leitende Teile (Rudergestänge, Servokabel usw.) in der Nähe der Antenne angebracht sind?
Folgend 2 Versuche zu dem Thema:


Abb. 10 Kohlefaserstab parallel zur Antenne

Messaufbau zu Abb. 10:
Der Sender liegt mit eingeschobener Antenne in einiger Entfernung zum Empfänger.
Die Empfangsantenne (ein Stab) ist waagerecht in ca. 1m Höhe angebracht.
Der Bereich "ohne" zeigt das ungestörte Eingangssignal.
Im Bereich "mit" wurde ein 4-mm-Kohlefaserstab, welcher genauso lang wie die Antenne ist, direkt neben die Empfangsantenne gelegt.
Im Bereich "Stab geerdet" wurde der Stab an der Empfängerseite mit der Empfänger-Masse verbunden.

Was kann man nun aus diesem Versuch lernen?
Rudergestänge o.ä. welche parallel zur Antenne angebracht sind vermindern die Reichweite.
In dem Beispiel wird die Empfänger-Eingangsspannung um ca. 10% vermindert, was nicht sehr schön aber vielleicht noch vertretbar ist.
Viel schlimmer sieht es aus, wenn das Rudergestänge auch noch mit Masse verbunden wird.
In dem Versuch wurde die Empfänger-Eingangsspannung um fast 60% reduziert, was die max. Reichweite merklich reduzieren würde.


Abb. 11 Servokabel parallel zur Antenne

Messaufbau zu Abb. 11:
Der Messaufbau ist ähnlich wie in Abb. 10.
Anstelle des Kohlestabs wurde ein Servokabel mit angeschlossenem Servo benutzt.
"Ohne" zeigt das ungestörte Signal.
25% (50%, 90%) bedeutet, dass das Servokabel nur ca. 25% (50%, 90%) der Antennenlänge lang ist, d.h. das noch ein ungestörtes Antennenstück von 75% (50%, 10%) vorhanden ist.

Der Versuch zeigt etwa das gleiche Ergebnis wie das mit dem mit Masse verbundenen Kohlestab.
Je mehr ungestörte Antennenlänge übrig bleibt desto mehr Reichweite wird auch möglich sein.

Hier noch ein Rechenbeispiel für die, die das alles sowieso nicht glauben.
Da die ganze Rechnerei von Hand auf Dauer etwas anstrengend ist, hier noch ein Link zu einem Programm welches die Rechnung für einen ganzen Raumbereich automatisch ausführt.
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