Antennen-Funkwellendämpfung bei Regen

Beispiele für Wetterradar-Radome

Um Schäden durch lokale und heftige Regenfälle zu mindern, hat das Ministerium für Land, Infrastruktur, Verkehr und Tourismus XRAIN installiert, ein X-Band-Radar (8-12 GHz), das hochauflösende Beobachtungen in nahezu Echtzeit ermöglicht.
Während sich C-Band-Radar (4-8 GHz) für großflächige Beobachtungen eignet, kann XRAIN lokalisierte Starkregenereignisse detailliert und in Echtzeit beobachten ^*1.
Im höherfrequenten X-Band ist die Dämpfung der Radiowellen jedoch aufgrund des sich auf der Radomoberfläche bildenden Wasserfilms größer.

Durch Regen bildet sich ein Wasserfilm auf der Kuppeloberfläche.

Selbst leichter Regen kann dazu führen, dass sich auf der Radomoberfläche ein Wasserfilm bildet, der das Signal verringert. Die Dicke des Wasserfilms ändert sich je nach Niederschlagsintensität, Radommaterial, Oberflächenbeschaffenheit usw.
Abbildung 1 zeigt die geschätzte Dicke eines Wasserfilms, der sich auf einer gleichmäßigen, glatten, unbehandelten Radomoberfläche mit einem Durchmesser von 5 m bilden würde. Beispielsweise kann eine Niederschlagsmenge von 30 mm pro Stunde dazu führen, dass sich auf der Oberfläche ein 0,2 mm dicker Wasserfilm bildet.

Ohne Maßnahmen zur Verhinderung der Bildung eines Wasserfilms wird der Betriebsbereich aufgrund der Dämpfung durch den Wasserfilm drastisch reduziert ^*3.​

Tatsächlich nimmt das Signal bei starkem Regen aufgrund des Wasserfilms auf dem Radom deutlich ab und der Beobachtungsbereich wird extrem eng.
Beispielsweise können 30 mm Regen pro Stunde einen 0,2 mm dicken Wasserfilm auf der Radomoberfläche bilden, was zu einer Dämpfung von 5,0 dB führt.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurde der Beobachtungsbereich von den normalen 80 km auf 10 km verengt.

Wichtige Punkte zur Vermeidung von Wasserfilmbildung

Durch Beschichten der Radomoberfläche mit einem wasserabweisenden Material ^*3, das einen Kontaktwinkel von 140 Grad oder mehr aufweist, kann die Bildung eines Wasserfilms unterdrückt werden.
Durch die Kombination von hervorragender wasserabweisend und Haltbarkeit erreicht ^HIREC® einen Kontaktwinkel von 150 Grad zwischen der Oberfläche und Wassertropfen.
Darüber hinaus verfügt es über einen Selbstreinigungsmechanismus, der es ihm ermöglicht wasserabweisend für etwa drei Jahre beizubehalten.

HIREC® wird im X-Band-MP-Radarradom von XRAIN als Gegenmaßnahme zur Wasserfilmdämpfung eingesetzt.

*1) „Radarbeobachtung von Niederschlägen für das Flussmanagement in Japan“, Ministerium für Land, Infrastruktur, Verkehr und Tourismus, 30. September 2013, http://www.mlit.go.jp/river/pamphlet_jirei/pdf/xrain_en.pdf (1,7 MB)
*2) „Forschungsbericht zur Verbesserung der Dämpfungsreduktionstechnologie für Radome von 9-GHz-Wetterradargeräten“, Advanced Communications Technology Research Advancement Center, März 2009.
*3) „Studie zu Gegenmaßnahmen gegen die Radomdämpfung bei Wetterradargeräten im 9-GHz-Band“, Forschungszentrum für fortgeschrittene Kommunikationstechnologie (AIST)

Beispiele für BS-Antennen

Antennen-Funkwellendämpfung bei Regen

① Dämpfung durch Regen zwischen Satellit und Antenne
② Verursacht durch Regen, der auf die Antenne fällt Wasserfilm Dämpfung aufgrund von

↓

HIREC reduziert die durch Wasserfilme verursachte Dämpfung von Funkwellen erheblich!

Abbildung 3 zeigt ein schematisches Diagramm, wie Funkwellen durch Regen gedämpft werden, am Beispiel einer BS-Antenne.

Die Dämpfung von Radiowellen während Regenfällen ist nicht allein auf Regen zwischen Satellit und Basisstationsantenne zurückzuführen, d. h. auf eine Dämpfung durch Regentropfen im Weltraum.
Es gibt etwas, das man Wasserfilmdämpfung nennt.
Die Dämpfung durch Wasserfilme bezeichnet die Dämpfung von Radiowellen, die durch einen Wasserfilm verursacht wird, der sich aufgrund von Regenwasser auf einer Basisstationsantenne bildet.
Durch die Anwendung Super hydrophobe Beschichtung HIREC auf die Oberfläche einer BS-Antenne bildet sich praktisch kein Wasserfilm auf der Oberfläche, wodurch die Dämpfung durch Wasserfilme deutlich reduziert wird.

Abbildung 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Niederschlagsintensität und Niederschlagsdämpfung.
Regendämpfung tritt auf, wenn die Betriebsfrequenz 10 GHz überschreitet, und deren Ausmaß mit steigender Frequenz zunimmt. Darüber hinaus steigt die Dämpfung mit zunehmendem Niederschlag.
Beispielsweise führen im 12-GHz-Frequenzband, das vom Rundfunksystem (BS) genutzt wird, Niederschlagsintensitäten von 5 mm/h und 10 mm/h zu Niederschlagsdämpfungen von etwa 1 dB bzw. 2 dB.

Die obige Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Frequenz und Wasserfilmdämpfung, wobei die Wasserfilmdicke als Parameter dient. (Berechnet auf Grundlage der Formel zur Wasserfilmdämpfung und der Daten zur komplexen Dielektrizitätskonstante von Wasser in der Meteorologischen Forschungsnotiz Nr. 112)
Es wurde festgestellt, dass die Dämpfung durch Wasserfilme bereits bei Frequenzen von wenigen GHz auftritt und dass das Ausmaß der Dämpfung mit zunehmender Frequenz und zunehmender Dicke des Wasserfilms zunimmt.
Die Dicke des Wasserfilms bei einer gegebenen Regenintensität variiert je nach Größe und Form der Antenne; wir werden jedoch ein Beispiel aus der Meteorological Research Note Nr. 139 vorstellen.
Bei 10 °C und einer Radomform mit 5 m Durchmesser führte eine Niederschlagsintensität von 10 mm/h zu einer Wasserfilmdicke von etwa 0,16 mm. Aus diesem Beispiel geht hervor, dass selbst bei normalem Niederschlag ein Wasserfilm von 0,1–0,2 mm Dicke entstehen kann.
Da die Antennenoberfläche durch ultraviolette Strahlen beeinträchtigt wird, ist es wahrscheinlich, dass der Wasserfilm umso dicker wird, je länger die Installationsdauer der Antenne im Freien ist, selbst bei gleicher Niederschlagsmenge.

Die Daten zur Niederschlagsdämpfung aus Abbildung 4 und die Berechnungsergebnisse zur Wasserfilmdämpfung aus Abbildung 5 sind in Abbildung 6 zusammengefasst.
Dies zeigt, dass der Effekt der Wasserfilmdämpfung nicht zu vernachlässigen ist. Insbesondere sind Gegenmaßnahmen gegen Wasserfilme im Frequenzbereich um 10 GHz und darunter wichtig.
Durch das Aufbringen einer wasserabweisenden Beschichtung auf die Antennenoberfläche, die Wasser stark abweist, wird die durch einen Wasserfilm verursachte Dämpfung der Funkwellen unterhalb von 10 GHz nahezu vollständig beseitigt.
Zwar tritt bei Frequenzen über 10 GHz eine Dämpfung durch Regen auf, die Dämpfung durch den Wasserfilm kann jedoch eliminiert werden, wodurch die Gesamtdämpfung reduziert wird.

Beispiele für Regenschutzmaßnahmen für Antennen

Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für gemessene Empfangseigenschaften von Funkwellen unter Verwendung einer BS-Antenne (12-GHz-Band).
Beim Vergleich von Antennen mit und ohne Super hydrophobe Beschichtung HIREC zeigte sich während eines Regenschauers (17:00-19:00 Uhr), dass Antennen ohne HIREC-Beschichtung eine Dämpfung von etwa 3-4 dB aufwiesen, während Antennen mit HIREC-Beschichtung keine Dämpfung zeigten.
Obwohl die Niederschlagsintensität unbekannt ist, trat an der mit HIREC lackierten Antenne keine Dämpfung auf, sodass sie anhand des Diagramms der Niederschlagsintensität und der Niederschlagsdämpfung auf 5 mm/h oder weniger geschätzt wird.
Des Weiteren zeigt das Diagramm der Niederschlagsintensität und -dämpfung, dass die Niederschlagsdämpfung im 12-GHz-Band bei einer Niederschlagsintensität von 5 mm/h etwa 1 dB beträgt. Daher kann die Dämpfung von 3–4 dB in Abbildung 7 als Dämpfung durch einen Wasserfilm und nicht als Dämpfung durch den Niederschlag selbst interpretiert werden.
Darüber hinaus stützt die Tatsache, dass die Dämpfung auch nach 19 Uhr, wenn der Regen aufgehört hat, noch auftritt, die Annahme, dass es sich um eine Dämpfung durch einen Wasserfilm handelt, der durch einen noch auf der Antennenoberfläche vorhandenen Wasserfilm verursacht wird.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass bei Regen auf der Antenne die Dämpfung durch einen Wasserfilm auch nach dem Ende des Regens noch eine gewisse Zeit anhält. Im Gegensatz dazu tritt bei der mit Super hydrophobe Beschichtung HIREC beschichteten Antenne keine Dämpfung auf, was darauf hindeutet, dass sich auf der Antennenoberfläche nahezu kein Wasserfilm bildet.
Aus den obigen Ausführungen lässt sich schließen, dass Super hydrophobe Beschichtung HIREC als eine der vielversprechenden Gegenmaßnahmen gegen die Dämpfung von Wasserfilmen angesehen werden kann.
Schließlich gibt es Berichte, dass die Dämpfung durch Wasserfilme sogar bei Frequenzen unter 10 GHz auftritt, dies ist jedoch derzeit noch unbestätigt. Wir werden die neuesten Informationen hinzufügen, sobald uns weitere Details vorliegen.

Schneeabwehrmaßnahmen durch Verwendung wasserabweisender Folien auf Antennen

Das wasserabweisende Laken kann auch im Winter getragen werden.

Traditionell bestanden Schneeschutzmaßnahmen hauptsächlich darin, Lösungen direkt an Antennen und anderen Strukturen zu installieren. Eine große Herausforderung bestand jedoch darin, dass die niedrigen Temperaturen im Winter eine Installation vor Ort unmöglich machten.
Deshalb stellen wir Ihnen ein Beispiel für eine wasserabweisende Folie vor, die auch im Winter einen Schneeschutz für die Ausrüstung vor Ort ermöglicht.

Vorteile wasserabweisender Laken

• Auch im Winter montierbar ← Vor-Ort-Lackierung der Antenne bei Temperaturen unter 5°C nicht möglich.
• Installierbar in 1-2 Stunden ← Mindestens 2 Tage für Vor-Ort-Installation der Antenne erforderlich

Nachteile wasserabweisender Laken

• ca. 1 Jahr Lebensdauer (je nach Witterungsbeständigkeit des Plattenmaterials) ← ca. 3 Jahre bei konventioneller Baustellenlackierung

*Wasserabweisendes Folienmaterial: Polyethylen (PE) oder Polyester
*Wasserabweisende Hüllen werden auf Bestellung gefertigt. Bitte kontaktieren Sie uns für weitere Informationen.

Aufbau und praktische Anwendung wasserabweisender Folien

Reflektor: Wasserabweisende Folie

• Eine Polyethylen- oder Polyesterfolie (blauer Bereich) wird mit Super hydrophobe Beschichtung beschichtet [HIREC-Primer (hellgrüner Bereich) und HIREC 100 (roter Bereich)].
  Das Foto rechts zeigt die wasserabweisende Folie, die am Reflektorteil der Antenne angebracht ist.

Konverter (Funkwellen-Sammelbereich): Nur der HIREC100 (roter Teil) ist mit einem Pinsel lackiert.

• HIREC100 ist ein Funktionsmaterial, keine Farbe. Daher hinterlässt das Streichen Pinselstriche (Unebenheiten). Diese weißen Unebenheiten zeugen von seinen hervorragenden wasserabweisend. (Vergrößerte Ansicht durch den Konverter)

*HIREC100 ist der Vorgänger von HIREC-R. Die Leistung beider Produkte ist gleichwertig.

Vergleich des Radioempfangsstatus mit und ohne wasserabweisende Beschichtung bei Schneefall.

Wir möchten ein Vergleichsexperiment vorstellen, das bei Schneefall durchgeführt wurde.

Wasserabweisende, unbehandelte Antenne

Wasserfilmbildung → Schlechter Empfang

wasserabweisende HIREC-Antenne

Unterdrückt die Bildung eines Wasserfilms → Normale Rezeption

Funkwellenempfangsstatus der BS-Antenne bei Schneefall (Situation etwa 14 Monate nach Installation der BS-Antenne)

Bei einer Antenne, die nicht mit einer wasserabweisenden Beschichtung behandelt worden war, kam es mehrmals zu Empfangsunterbrechungen (Tuner-Empfangspegel unter 20).
Mit einer wasserabweisenden Abdeckung für die Antenne (auch der Konverter war wasserabweisend beschichtet) verringerte sich die Signalstärke, der Empfang war aber weiterhin möglich.

Funkwellenempfangsstatus der BS-Antenne bei Schneefall (ca. 26 Monate nach Antenneninstallation)

Wasserabweisende, unbehandelte BS-Antenne

Bei BS-Antennen, die nicht mit einer wasserabweisenden Beschichtung versehen waren, war der Empfang unmöglich (Empfangspegel unter 20) oder es traten Bildverzerrungen über mehrere zehn Minuten bis fast 9 Stunden pro Tag während des 54-tägigen Aufzeichnungszeitraums auf.
Die Frequenz betrug 15 Mal.

Wasserabweisende BS-Antenne

Mit der wasserabweisenden BS-Antenne lag der Empfangswert nie unter 25.

Detailliertes Beispiel für den Empfang von Funkwellen

Daraus lässt sich schließen, dass der erfolgreiche Empfang der BS-Sendungen darauf zurückzuführen ist, dass sich auf dem wasserabweisend behandelten Antennen- und Konverterteil fast kein Wasserfilm gebildet hat.
Zwar gibt es Vorrichtungen zum Schmelzen von Schnee auf Antennen, doch die Hauptursache für die Dämpfung von Funkwellen ist Wasser (Wasserfilm) und nicht Schnee oder Eis. Daher sind solche Vorrichtungen zur Schneeschmelze möglicherweise nicht wirksam, um die Dämpfung von Funkwellen zu reduzieren.

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