Anwendungsoptionen des INA‑Inline‑Verstärkers

Nach der Ankündigung der neuen Kybernion-Initiative von Meinberg vor einigen Wochen stellen wir nun die Einsatzmöglichkeiten der verschiedenen Produkte der Kybernion-Produktfamilie genauer vor – zuerst unsere neuen INA-Inline-Verstärker. Diese kompakten Geräte bieten eine kosteneffiziente und praktische Möglichkeit, die Übertragungsstrecke eines GNSS-Signals zu verlängern und so eine zuverlässige Empfangssituation zu gewährleisten. Die Inline-Verstärker werden direkt in die Antennenzuleitung eingebaut und benötigen keine separate Stromversorgung: Der angeschlossene Meinberg-Empfänger liefert die für die Signalverstärkung erforderliche Versorgungsspannung.

Als Geräte der Kybernion-Familie wurden die INA-Verstärker von Meinberg von Grund auf für einen optimalen Betrieb bei der GNSS-basierten Synchronisation entwickelt. Das heißt:

• sie sind speziell dafür ausgelegt, hauptsächlich die bekannten GNSS-Frequenzen aller vier Hauptkonstellationen durchzulassen und
• sie wurden entwickelt und getestet, um mbgARC-Kommunikationssignale ohne jegliche Störungen zu übertragen.

Darüber hinaus werden die INA-Verstärker am Meinberg-Standort in Deutschland gefertigt, um maximale Versorgungssicherheit und garantierte Qualitätskontrolle zu gewährleisten.

Wann wird ein Inline-Verstärker benötigt?

Ohne Inline-Verstärkung kann das Signal einer GNMANTv2-Antenne über eine, bis zu etwa 70 m lange, Speedfoam HFJ240-Koaxialkabelstrecke übertragen werden, bevor es die Eingangsanforderungen (Front-End-Verstärkungsanforderungen) des Empfängers nicht mehr erfüllt. Für viele Anwendungen reichen 70 m Kabel aus, aber bei großflächigen Installationen, in denen große Entfernungen überwunden werden müssen, kann eine größere Leitungsreichweite erforderlich sein. Die Möglichkeit, die Antennenleitung auf mehrere hundert Meter zu verlängern, bietet zudem zusätzliche Flexibilität bei der optimalen Platzierung der Antenne.

Hier kommen die INA-Inline-Verstärker ins Spiel: Diese nehmen das GNSS-Signal einer GNMANTv2-Antenne auf und erhöhen dessen Pegel so, dass die Verstärkungsanforderungen eines GNS, GNM oder GXL-Empfängers erfüllt werden. INA-Einheiten können auch kaskadiert werden: Das bedeutet, sie können in Intervallen von etwa 70 m einer Antennenleitung entlang eingesetzt werden, um das Signal dort zu erhöhen, wo der Pegel sonst auf einen unbrauchbares Niveau abfallen würde.

Hierzu gibt es zwei Varianten des INA: Den INA-30, der 30 dB Verstärkung liefert und den INA-20, der 20 dB Verstärkung bietet. Die Auswahl, welcher der beiden Verstärker in jedem Abschnitt eingesetzt wird, hängt vom zu erwartenden Signalpegel am Ende jedes Kabelsegments ab.

Abbildung: Ein Beispiel einer 200-Meter-Antennenleitung, die durch INA-Inlineverstärker ermöglicht wird

Im oben aufgeführten Beispiel ist die Antenne direkt über ein 60 m-Kabel mit dem ersten INA-30-Verstärker verbunden und danach mit zwei 70 m-HFJ240-Kabelstrecken, zwischen denen ein INA-20-Verstärker geschaltet ist. Die Anordnung der Verstärker und Kabelsegmente haben grundsätzlich keine Auswirkung auf die Signalverstärkung am empfängerseitigen Ende der Antennenleitung - denkbar wäre auch das 70 m-Kabel als erster Segment und das 60 m-Kabel am Ende. In beiden Szenarien (70 m → 70 m → 60 m sowie 60 m → 70 m → 70 m) fällt eine Verstärkung von ca. 21 dB am empfängerseitigen Ende an (bei dem Einsatz einer GNMANTv2-Antenne mit einer Verstärkung von 37 dB).

Weil allerdings die ersten Segmente einer Leitung generell die größte Auswirkung auf das Signal-Rausch-Verhältnis haben, ist ein etwas kürzerer Segment am Anfang zu empfehlen, um die Rauschzahl der Kabellänge etwas einzugrenzen und damit das empfängerseitige Signal-Rausch-Verhältnis leicht zu verbessern.

Mit diesem Ansatz ist jedoch die empfängerseitige Verstärkung am Ausgang des dritten Inline-Verstärkers etwas erhöht, weshalb ein Kabel mit der vollen 70 m-Länge zwischen dem letzten INA-20 und dem Empfänger angeschlossen ist: So wird sichergestellt, dass das Signal ausreichend gedämpft wird, um eine Übersteuerung des Empfängers zu vermeiden.

Wenn durch örtliche Installationsbedingungen einzelne Segmente kürzer als 70 m sein müssen, oder wenn das letzte Kabelsegment bis zum Empfänger zu kurz ist und das Eingangssignal die spezifizierte Front-End-Verstärkung überschreitet, kann es erforderlich sein, einzelne INA-20-Verstärker an bestimmten anderen Stellen der Leitung einzusetzen. Meinbergs Technischer Support steht hier bei der Planung der Antennenleitung beratend zur Seite.

Wie beeinflussen Inline-Verstärker die Zeitgenauigkeit?

Grundsätzlich wird von einer konstanten Verzögerung von 4,01 ns pro Meter HFJ240-Kabel ausgegangen. Wir kompensieren diese Verzögerung am Zeitserver, indem wir diesen Wert mit der Länge des Antennenkabels multiplizieren und den Server den daraus resultierenden Offset auf die empfangene Zeit anwenden lassen. Folglich würde für eine Antennenleitung von 70 m Länge (ohne Verstärker) ein Offset von 280,7 ns angewendet werden.

Bei Anwendungen, die Nanosekunden-Genauigkeit erfordern, ist es sinnvoll zu berücksichtigen, dass jeder Verstärker zwischen 1,9 und 2,6 Nanosekunden zusätzlicher Laufzeitverzögerung, von der Antenne bis zum Empfänger, hinzufügt. Zum Beispiel betrachten wir die gut etablierten 1,5 GHz-Bänder (GPS L1, Galileo E1, BeiDou B1, GLONASS G1), bei denen die Verzögerung 1,94 ns beträgt.

Wenn nur ein oder zwei Verstärker integriert werden, ist die Auswirkung auf die Zeit im Vergleich zur Genauigkeit der gesamten Zeitinfrastruktur in der Regel vernachlässigbar, selbst bei Anwendungen, die eine Genauigkeit im Nanosekundenbereich erfordern. Mit mehreren eingebauten Verstärkern ist der Effekt jedoch kumulativ und in diesem Fall kann es von Vorteil sein, die durch die Verstärker eingefügte Zeitverzögerung in den Laufzeit-Offset Ihres Zeitservers zu berücksichtigen.

Beispiel: In einer Antennenleitung von 200 m, die aus zwei 70-Meter-Kabelsegmenten und einen 60-Meter-Kabelsegment besteht und in dem zwei INA-30- und ein INA-20-Inline-Verstärker zum Einsatz kommen, beträgt die Grundlaufzeit der Kabelleitung 802 ns. Die drei INA-Einheiten verursachen jeweils 1,94 ns Verzögerung, was zu einer Gesamtverzögerung von 807,82 ns führt, vorausgesetzt, es sind keine weiteren Komponenten wie etwa Antennen-Splitter, eingebunden. Während die Wirkung der Verstärker in diesem Zusammenhang vernachlässigbar erscheint, kann dieser kleine Schritt die Synchronisation mit anderen zeitkritischen Geräten im Netzwerk leicht verbessern.

Für Zeitmessungen, die keine höheren Genauigkeiten als im Mikrosekundenbereich erfordern, haben die Verstärker auf die Zeitgenauigkeit keinen nennenswerten Einfluss.

Was muss zusätzlich berücksichtigt werden?

Es ist wichtig sicherzustellen, dass das 70-Meter-Limit zwischen den Kabelsegmenten nicht überschritten wird. Wenn ein INA zu weit entfernt entlang eines Kabelsegments eingebunden wird, hat der Ausgang des Verstärkers zwar die erforderliche Verstärkung, aber das Signal-Rausch-Verhältnis wird wahrscheinlich so stark verschlechtert, dass das Kabel ab diesem Punkt nur noch verstärktes Rauschen überträgt.

Jeder Verstärker fügt dem Signal selbst Rauschen hinzu, was in der Regel das Signal-Rausch-Verhältnis mit jeder Verstärkungsstufe weiter verschlechtert. Dies begrenzt die Anzahl der Verstärker, die in einer einzigen Antennenleitung kaskadiert werden können.

Zuletzt stellt sich auch die Frage des Stromverbrauchs: Meinberg-GNS-Empfänger liefern typischerweise maximal 120 mA bei 5 V, und die GNMANTv2 verbraucht 30 mA, wodurch 90 mA für zusätzliche Geräte übrig bleiben, die ohne externe Stromversorgung in der Kabelstrecke eingebaut werden können. Mit jedem INA-Modul, das 8 mA verbraucht, ergibt sich ein absolutes Limit von elf Inline-Verstärkern (88 mA), unabhängig von Problemen mit dem Signal-Rauschverhältnis.

Wo kann ich mich beraten lassen?

Der Technische Support von Meinberg steht Ihnen zur Verfügung, um Sie bei der Kaskadierung der Inline-Verstärker in Ihrer Antenneninstallation zu beraten, und unterstützt zudem bei der Berechnung geeigneter Kabellängen und der Auswahl des passenden Verstärkers an jedem Punkt der Strecke.

Die INA-Inline-Verstärker von Meinberg sind die perfekte Lösung, um eine zuverlässige Signalübertragung über längere Strecken zu Ihrer Meinberg-GNSS-synchronisierten Referenzuhr sicherzustellen und gleichzeitig mehr Flexibilität bei der Platzierung Ihrer Antenne für einen optimalen Empfang zu bieten.