Die GPS-Antenne
 

Die Satelliten befinden sich in einer Umlaufbahn in einer Höhe von ca. 2000 km und senden auf einer Frequenz von 1575,42 MHz. Normalerweise denkt man bei diesen Gegebenheiten an Parabolantensysteme um die Signale vernünftig empfangen zu können. Nichts da, weit gefehlt! Winzigste Antennesysteme reichen aus, um die spread-spectrum-modulierten, fehlerredundant-codierten circular-polarisierten Signale in ausreichender Qualität auswerten zu können, auch wenn diese weit unter dem Rauschen zu empfangen sind. Es empfiehlt sich aber die Antenne in möglichst freiem Umfeld und mit „guter Sicht zu einem großflächigem Himmelstor" zu positionierten.
Man unterscheidet zweierlei Systeme. Zum einen die für die Polarisation prädestinierten Helixantennen, welche flach einfallende Signale sehr stark hervorheben. Andererseits sind da die für diesen Frequenzbereich äußerst leistungsfähigen Flächenantennen; sog. Patch-Syteme welche "hochstehende Satelliten gut empfangen. Letztere werden heutzutage überwiegend eingesetzt, da sie sich auf einem Keramikelement gleichzeitig mit dem HF-Vorverstärker zu einer äußerst kompakten Einheit integrieren lassen. Die Ausmaße sind meist kleiner als eine gewöhnliche Streichholzschachtel. Durch entsprechende wetterfeste Ummantellung fallen die Empfangssysteme natürlich etwas größer aus.
 




Es gibt bei den Antennen eine reichhaltige Auswahl, da GPS heute in den unterschiedlichsten Bereichen verwendet wird. Exemplare aus der maritimen Navigation sind zwar sehr robust und extrem witterungsbeständig, aber aufgrund der 12-V-Technik nur bedingt für unsere Zwecke zu gebrauchen. Helle Gehäuse heizen sich bei starker Sonneneinstrahlung bekanntlich weniger auf und eine gewölbte Oberfläche beugt Schnee- und Eisbehang im frostigen Winter recht gut vor. Helixsysteme eignen sich schließlich besser für flach einfallende Signale. Fast alle Systeme enthalten einen über das Kabel ferngespeisten, höchstwertigen Vorverstärker, welcher für das hier verwendete Konzept unbedingt für 5-V-Einspeisung ausgelegt sein muss. Verwunderlich, ja absolut unverständlich für einen passionierten SHF-Amateur ist wohl, dass die Dinger anscheinend technisch so gut sind, weil man kommerziell derart großzügig mit den dünnsten und damit „schäbigsten" Kabeln kostbare Signalstärken verschenken kann.
Alle diese genannten Kriterien helfen wohl zur Entscheidungsfindung entsprechend bei reichhaltiger Auswahl und den örtlichen Gegebenheiten ein wenig weiter. Häufig reicht sogar schon, je nach Position und Anzahl der Satelliten das „Fensterbankerl" mit mehr oder minder stark eingeschränkter Sicht in nur eine Himmelsrichtung vollkommen aus. Sogar im Wohnraum mit nur kleinem Fenster war, vermutlich durch Reflexion, gelegentlich (die Position der Satelliten ändert sich ständig!) Empfang möglich. Bei kurzem Kabel reicht schließlich gar eine wesentlich billigere, passive Mini-Helix (bei Navman als Geohelix bezeichnet) ohne eingebauten Verstärker vollkommen aus.

Ich habe mit diversen GPS-Modulen einige vergleichende Test durchgeführt. Die Antenne wurde dabei zeitweise abgedeckt oder vom provisorischen Platz auf der Fensterbank ganz ins Zimmerinnere geholt. Während alle anders spezifizierten Module längst ihren Dienst quittierten, lieferte der scheckkartengroße „Jupiter-T" weiter eine präzise Referenzfrequenz.

Die hochgezüchteten, superempfindlichen GPS-Empfänger erlauben es sogar, sofern die Antennekabel kurz gehalten werden, dass Antennensysteme ohne Vorverstärker Verwendung finden.
Zur "Geburtsstunde" des GPS-Systems verwendete man allerdings grundsätzlich Aktivantennen mit 12-V-Stromversorgung, während heute 5-V- und auch 3,3-V-Fernspeiseelemente bevorzugt eingesetzt werden.

Im Internet finden sich sogar Bauanleitungen für diese Helix-Systeme. Hier einige hilfreiche Links:

Da vielfältig beste Systeme zu relativ günstigen Preis angeboten werden, lohnt ein Selbstbau in den seltensten Fällen. Im Online-Auktionshaus „ebay" kann man manchmal recht günstig, streichholzschachtelgroße Exemplare aus der Autonavigation erwerben, welche auch elektrisch hervorragend für unseren Zweck im portablen (oder mobilen) Betrieb geeignet sind, wenngleich auch erhebliche Abstriche bei der Montage auf dem Dach zu machen sind.

Ich arbeite erfolgreich mit einer speziellen, auf dem Dachfirst montierten, stationären Antenne von Hopf (Type 4490G/4418A). Die Internetdokumentationen der deutschen Herstellerfirma enthalten übrigens auch hervorragend detaillierte Basisinformationen zum GPS-System selbst. Als Blitzschutzmaßnahme wurde diese robuste Antenne gleich auf dem Blitzableitersystem selbst montiert und mit einer Spiralfeder unter der M8-Fixierschraube zum Potentialausgleich direkt mit dem darunter liegenden BNC-Stecker „geerdet".
 
 





Ein einfacher Transponder

Bei dem folgenden technischen Kniff handelt es sich nicht um einen echten Frequenz-Transponder, sondern um eine drahtlose Ankopplung an eine Außenantenne. Dabei wird eine GPS-Antenne an einem exponierten Standort montiert. Neben dem vorhandenen Vorverstärker wird zusätzlich ein oder auch ein zweiter Kabelverstärker eingesetzt. Die Fernspeisung erfolgt mit einer extra Stromversorgung. Am Kabelausgang des letzten Verstärkers folgt galvanisch getrennt eine Helixantenne, welche das verstärkte Signal über kurze Strecken im Zimmer abstrahlt. Zur Not reicht auch eine kapazitiv angekoppelte, kleine Drahtschleife für kurze Entfernungen vollkommen aus. Damit kann man entsprechend der Verstärkung bis zu einigen Metern überbrücken und so bequem verschiedene Systeme mit deren eigenen Antennen gleichzeitig im Zimmer betreiben. Das geschilderte Verfahren eignet sich besonders für experimentelle Zwecke oder für entsprechende "Inhouse-Mobilität".
 

Prinzipiell ist natürlich mit dieser Technik auch ein nachgeschalteter Kabelverteiler adaptierbar. Anstelle der "Abstrahlantenne" tritt hier dann ein Power-Devider (Powersplitter) mit entsprechend vielen Ausgängen. Dafür brauchen die angeschlossenen Empfänger keine eigene Antenne. Es ist darauf zu achten, dass diese aber gleichspannungsmäßig keinen Kurzschluss erzeugen. Dieses Verfahren ist angebracht, wenn man ständig mehrere Systeme gleichzeitig nutzen möchte. Wer's aufwendig braucht, kann jeden Ausgang (HF-mäßig entkoppelt!) mit einer Anschaltung einer LED versehen. Somit kann über die ursprüngliche Fernspeisung der nachgeschalteten Empfänger deren Kontaktierung signalisiert werden.

Ein Powersplitter lässt sich auch in Streifenleitertechnik recht einfach herstellen. Das Grundprinzip eines 3-Port-Systems zeigt nebenstehende Grafik. Der Widerstand R wird üblicherweise mir dem Wert des doppelten Wellenwiderstands dimensioniert.