Antenne
Strahler
Schaltzeichen Antenne:
Antennen sind Strahler, die entlang ihrer geometrischen Ausdehnung radial die ihnen zugeführte Leistung P ( Antenneneingangsleistung PE ) in elektromagnetische Strahlung ( Strahlungsleistung PS ) umwandeln.
Tx = Transmitter (Sender)
Rx = Receiver (Empfänger)
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. dem Frequenzbereich der Schaltbandbreite (Bandbreite b) der verwendeten Funktechnik.
Je nach Verhältnis der Antennen-Länge l zur Wellenlänge λ wird die Antenne als Viertelwellen- (λ/4-), Halbwellen- (λ/2-) oder Ganzwellen-Antenne (λ-Antenne) bezeichnet.
Eine Antenne dient als Anpassungstransformator für das Einkoppeln des technischen Leitungswellenwiderstands ZL (50 Ω) an den Feldwellenwiderstand ZF des freien Raums (≈ 377 Ω).
D.h. sie ist die technische Schnittstelle der Wellentypwandlung zwischen leitungsgeführten (Kabel, Hohlleiter, u.a.) und ungeführten elektromagnetischen Wellen (Freiraumwellen).
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- Stabantenne:
Eine geerdete λ/4-Stabantenne entsteht, wenn bei einem linearen Dipol die gegenüberliegene Antenne durch eine "ideal leitende" Fläche ersetzt wird.
Diese Bauform wird auch Ground Plane, Monopolantenne Viertelwellenstrahler oder Marconi-Antenne genannt.
Wichtige Kenngrößen die über die Funktionsweise von Antennen Auskunft geben sind:
Richtcharakteristik
Richtfaktor D
Antennenwirkungsgrad η
Antennengewinn G
Vor-/Rück-Verhältnis
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 unsymmetrische λ/4-Linearantenne.
Die Dipol-Antenne ist die einfachste symmetrische λ/2-Linearantenne und bildet das Grundelement fast aller Antennenformen.
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 auseinandergefaltet und die Platten in ihren Fläche immer weiter reduziert, so dass sich der kapazitive Anteil letzendlich auf die beiden Enden des resultierenden zylindrischen Leiters konzentriert. Der induktive Anteil stellt die Längenausdehnung des Leiters dar, d.h. die Windungen der Spule sind zu einem linearen Leiter auseinandergezogen.
Mit Ausnahme einer Rundstrahlantenne[1] weisen reale Antennen immer eine mehr oder weniger ausgeprägte Richtcharakteristik auf die durch Antennengewinn G, Halbwertsbreite φ und Vor-/Rück-Verhältnis beschrieben wird.
Umgangssprachlich werden diese Antennen dann auch als Richtantennen oder Gewinnantennen bezeichnet.
Als theoretische Vergleichsantenne für Gewinnatennen 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, punktförmigen Antenne mit den idealen Eigenschaften einer verlustlosen und omnidirektionalen Richtcharakteristik .
[1] Im Vergleich zum theoretischen Isotropstrahler weißt eine sogenannte Rundstrahlantenne einen radialen Antennengewinn auf und ist somit "eigentlich" ebenfalls gerichtet.
Die Gewinn-Betrachtung bezieht sich i.d.R. aber auf das Horizontaldiagramm und daher ist ein Rundstrahler ungerichtet.
Antennentypen-Übersicht |
|||
|---|---|---|---|
| Antennentyp | Gewinn dBi |
Gewinn dBd |
Öffnungswinkel α |
| Isotropantenne | 0 dBi | --- | 360° |
| (theoretischer Kugelstrahler, definiert) | |||
| λ/2 - Dipol | 2 dBi | 0 dBd | 360° |
| linear-polarisierter Rundstrahler | |||
| Log-Per-Antenne | 6 dBi | 4 dBd | 100° |
| linear-polarisierte Logarithmisch-Periodische-Dipolantenne (Richtantenne) | |||
| Helix-Antenne | 12-14 dBi | 10-12 dBd | 63° |
| zirkular-polarisierte Richtantenne | |||
Ersatzschaltbild Antenne:
R = Widerstand (V = 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 elektromagnetische 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
Antennen werden auch als Strahler bezeichnet. Diese Benennung ist zumindest zum Teil 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
⇒ Antennenkabel
⇒ Antennenwirkungsgrad
⇒ Dipol-Antenne
⇒ Elektrische Feldstärke
⇒ Elektromagnetische Welle
⇒ Feldwellenwiderstand
⇒ Freiraumwellenwiderstand
⇒ Groundplane
⇒ Isotropstrahler
⇒ Koaxialkabel
⇒ Kondensator
⇒ Konstanten
⇒ Leitungswellenwiderstand
⇒ Magnetische Feldstärke
⇒ Marconi-Antenne
⇒ Monopol-Antenne
⇒ Reziprozitätsgesetz
⇒ Richtcharakteristik
⇒ Richtfaktor
⇒ Schwingkreis
⇒ Spule
⇒ Strahlungsleistungsdichte
⇒ Strahlungswiderstand
⇒ Viertelwellenstrahler
⇒ Wellenausbreitung
⇒ Wellenwiderstand
⇒ Wirkleistung