Antenne
Strahler
Schaltzeichen Antenne:
Antennen sind technische Gebilde die als Schnittstelle der Wellentypwandlung elektromagnetischer Wellen von Freiraumwellen und leitungsgeführten Wellen dienen.
Antenne - Funktionsprinzip Wellentypwandlung
Tx = Transmitter (Sender)
Rx = Receiver (Empfänger)
Antennen werden auch als Strahler bezeichnet, die entlang ihrer geometrischen Ausdehnung die ihnen zugeführte Leistung P (Antenneneingangsleistung PE) in elektromagnetische Strahlung (Strahlungsleistung PS) umwandeln, d.h. abstrahlen.
Die einfachste Form einer Antenne ist ein Stück Draht, der in seiner geometrischen Länge l auf die Wellenlänge λ der Frequenz f (Sende-/Empfangsfrequenz) angepasst ist, bzw. auf den Frequenzbereich der Schaltbandbreite (Bandbreite b) der verwendeten Funktechnik.
Je nach Verhältnis der Antennenlänge L zur Wellenlänge λ wird die Antenne z.B. als Viertelwellen- (λ/4-Antenne), Halbwellen- (λ/2-Antenne) oder Ganzwellenantenne (λ-Antenne) bezeichnet.
Gelegentlich findet sich in der Literatur sinngemäß die Aussage, dass "eine Antenne als Anpassungstransformator für das Einkoppeln des technischen Leitungswellenwiderstands ZL (50 Ω) an den Feldwellenwiderstand ZF des freien Raums (≈ 377 Ω) dient".
Diese Sichtweise wurde ursprünglich auch hier auf diesen Seiten vertreten und ist didaktisch sehr anschaulich für den Einstieg in das Thema. Mathematisch ist es aber nicht nachvollziehbar und es erscheint somit auch physikalisch falsch zu sein. Entsprechend wird dieser Erklärung hier nicht gefolgt. Siehe Artikel: Anpassungstransformator.
Elektrische Feldlinien einer λ/2- Dipolantenne:
Die elektrischen Feldlinien einer λ/2-Dipolantenne verlaufen durch den umgebenden Raum von einem λ/4-Dipolstab zum gegenüberliegenden λ/4-Dipolstab.
Elektrische Feldlinien einer λ/4- Vertikalantenne mit Massebezug:
Der Massebezug (≙ HF-Erde) einer λ/4-Monopol-Antenne entsteht, wenn sich im Nahfeld (am Fußpunkt) der Antenne eine "ideal leitende" Fläche befindet.
Am Beispiel einer λ/4-Antenne (Monopol-Antenne) führt eine zu ihr senkrecht stehende, leitende Fläche zur virtuellen Spiegelung der Antenne.
Durch die Spiegelebene entsteht eine theoretische λ/2-Dipol-Antenne.
Dadurch erlangt die Marconi-Antenne auch die physikalischen Eigenschaften einer λ/2-Antenne (Dipol-Antenne).
Je besser die elektrische Leitfähigkeit der Fläche, desto besser die Antenneneigenschaften.
Wichtige Kenngrößen die über die Funktionsweise von Antennen Auskunft geben sind:
Richtcharakteristik
Richtfaktor D
Antennenwirkungsgrad η
Antennengewinn
→ Antennengewinnfaktor G
→ Antennengewinnmaß g
Vor-/Rück-Verhältnis F/B
→ Strahlungsleistung der Hauptstrahlachse PS(F)
→ Strahlungsleistung der Rückstrahlachse PS(B)
Öffnungswinkel α
Halbwertsbreite φ
u.a.
Die unsymmetrische Monopol-Antenne und die symmetrisch gespeiste Dipol-Antenne gehören zu den Vertikalantennen und stellen die einfachsten Antennenarten dar.
Die Monopol-Antenne ist eine lineare, unsymmetrische und endgespeiste Vertikalantenne, die in Form des Viertelwellenstrahlers (λ/4) am häufigsten Verwendung findet.
Die Dipol-Antenne ist eine lineare, symmetrische und mittengespeiste Vertikalantenne, die in Form der λ/2-Linearantenne am häufigsten vorkommt und das Grundelement fast aller Antennenformen darstellt.
Antennentheorie
Die Leitungstheorie ist die einfachste Herleitung der Entstehung einer Dipol-Antenne anhand einer Paralleldrahtleitung, deren offene Enden auseinander gespreizt sind.
Etwas mehr Phantasie wird bei der Herleitung einer Dipol-Antenne aus einem LC-Schwingkreis benötigt:
Bei dieser Theorie wird der Schwingkreis am Kondensator (Kapazität C) auseinandergefaltet und die Platten in ihrer Fläche A immer weiter reduziert, so dass sich der kapazitive Anteil letztendlich auf die beiden Enden des resultierenden zylindrischen Leiters konzentriert.
Der induktive Anteil stellt die Längenausdehnung des Leiters dar, d.h. die Windungen der Spule(Induktivität L) sind zu einem linearen Leiter auseinandergezogen.
Mit Ausnahme einer Rundstrahlantenne weisen reale Antennen immer eine mehr oder weniger ausgeprägte Richtcharakteristik auf, die durch Antennengewinn, Halbwertsbreite φ und Vor-/Rück-Verhältnis F/B beschrieben wird.
Umgangssprachlich werden diese Antennen dann auch als Richtantennen oder Gewinnantennen bezeichnet.
Als theoretische Vergleichsantenne für Gewinnantennen kann einerseits die Isotropantenne, mit einem definierten Bezugswert von 0 dBi, oder die reale Dipolantenne, mit dem definierten Bezugswert von 0 dBd, herangezogen werden.
Omnidirektionale Richtcharakteristik (Isotrop-Antenne):
Die Isotropantenne ist eine theoretische, punktförmige Antenne mit den idealen Eigenschaften einer verlustlosen und omnidirektionalen Richtcharakteristik.
Direktionale Richtcharakteristik (Rundstrahler, Dipol-Antenne):
Die Dipol-Antenne ist eine lineare, symmetrische und mittengespeiste Vertikalantenne, die in Form der λ/2-Linearantenne am häufigsten vorkommt und das Grundelement fast aller Antennenformen darstellt.
Im Vergleich zum theoretischen Isotropstrahler weist eine sogenannte Rundstrahlantenne einen radialen Antennengewinn auf und ist somit "eigentlich" ebenfalls gerichtet.
Die Gewinn-Betrachtung bezieht sich i.d.R. aber nur auf das Horizontaldiagramm und daher wird ein Rundstrahler als ungerichtet/rundstrahlend betrachtet.
Ersatzschaltbild Antenne:
RV = Verlustwiderstand [Ω]
RS = Strahlungswiderstand [Ω]
X = Blindwiderstand [Ω]
i = imaginäre Einheit [1]
Alle Antennen weisen einen Strahlungswiderstand RS, einen rein ohmschen Verlustwiderstand RV (Realanteil) und einen Blindwiderstand X (Blindanteil) auf.
Die im Verlustwiderstand RV umgesetzte Leistung P geht als unerwünschte Verlustleistung PV in Form von Wärme verloren.
Der erwünschte Verlust der Strahlungsleistung PS wird im Strahlungswiderstand RS umgesetzt und geht in Form von elektromagnetischen Wellen verloren, d.h. wird von der Antenne abgestrahlt.
Der Blindwiderstand X wird nicht in andere Energiezustandsformen umgewandelt, sondern zeitverzögert wieder abgegeben und wirkt durch die Phasenverschiebung zusätzlich zum ohmschen Widerstand R hemmend auf den Wechselstrom ≂.
Für ein besseres Verständnis der Funktionsweise einer Antenne hilft die Veranschaulichung der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle.
Bei elektromagnetischen Wellen handelt es sich um sogenannte Transversalwellen, d.h. sie haben Polarisationsebenen, bei denen die Vektoren des elektrischen Feldes (elektrische Feldstärke E→), des magnetischen Feldes (magnetische Feldstärke H→) und die Ausbreitungsrichtung immer senkrecht zueinander stehen.
In der hier besprochenen Funktechnik ist ausschließlich das elektrische Feld, bzw. der elektrische Anteil der Wellenausbreitung von Interesse. Also beziehen sich alle Polarisationsangaben immer auf die Ausrichtungsebene parallel zur Längenausdehnung der betrachteten Antenne.
Strahler
Der quasioptische Begriff "Strahler" ist beabsichtigt, da Licht ebenfalls eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung ist und sich daraus Übereinstimmungen in der Wellenausbreitung ergeben.
Diese Benennung ist zumindest teilweise etwas irreführend, da nach dem Reziprozitätstheorem eine Antenne grundsätzlich sowohl für die Aussendung als auch den Empfang elektromagnetischer Wellen geeignet ist.
| Konstante | Wert | Einheit |
|---|---|---|
| Freiraumwellenwiderstand Z0 | ||
| Z0 | 376,73031366685 | Ω |
|
Z0 =
√
µ0
ε0
=
µ0c0 =
377 Ω ≈
120π Ω [1]
[1]: für c0 = 3·109m |
||
⇒ 50 Ohm
⇒ Antennengewinn
⇒ Antennengewinn [ ⇒Antennengewinnfaktor ]
⇒ Antennenkabel
⇒ Antennenwirkungsgrad
⇒ Dipol-Antenne [ ⇒Dipol ]
⇒ Elektrische Feldstärke
⇒ Elektromagnetische Welle
⇒ Feldwellenwiderstand
⇒ Freiraumwellenwiderstand
⇒ Groundplane [ ⇒Maßebezug ]
⇒ Isotropstrahler [ ⇒Isotropantenne ]
⇒ Koaxialkabel
⇒ Kondensator
⇒ Konstanten
⇒ Leitungswellenwiderstand
⇒ Magnetische Feldstärke
⇒ Marconi-Antenne [ ⇒Monopol ]
⇒ Massebezug
⇒ Monopol-Antenne [ ⇒Monopol ]
⇒ Reziprozitätsgesetz
⇒ Richtcharakteristik
⇒ Richtfaktor
⇒ Schwingkreis
⇒ Spule
⇒ Strahlungsleistungsdichte
⇒ Strahlungswiderstand
⇒ Viertelwellenstrahler [ ⇒Monopol ]
⇒ Wellenausbreitung
⇒ Wellenwiderstand
⇒ Wirkleistung [ ⇒Elektrische Leistung ]