antenn

Stor roterbar kortvågsantenn vid Moosbrunn -sändaren (nära Wien)

Antenn för medelvågssändaren för AFN (Ditzingen-Hirschlanden)

2,2 km lång sändarantenn från Alexanderson för 17,2 kHz av den längsta vågsändaren Grimeton (Sverige)

En antenn är ett tekniskt arrangemang för att sända och ta emot elektromagnetiska vågor , ofta för trådlös kommunikation. När en sändande antenn omvandlar ledda elektromagnetiska vågor i fritt rymdvåg i ordning, eller tvärtom som en mottagande antenn, ledes den inkommande axeln som ett elektromagnetsvågor i fritt utrymme tillbaka till elektromagnetiska vågor. Vad som är väsentligt för detta är omvandlingen av linjens vågimpedans genom antennarrangemanget till vakuumets vågimpedans . En elektromagnetisk ledig rymdvåg skapas bara i fjärran . Arrangemang för frekvenser under Schumann -resonanserna på cirka 16 Hz kan inte generera en fri rymdvåg på grund av den stora våglängden på jorden.

Storleken är i storleksordningen av halva våglängden, med korta våglängder också en multipel och med mycket långa våglängder också en bråkdel och sträcker sig från flera hundra meter för långvågsområdet vid under 10 kHz ner till fraktioner av millimeter för maximalt frekvensområde vid över 1 THz. ^[1] ^[2] För att uppnå en riktverkan , finns flera individuella antenner ofta kombineras för att bilda en grupp -antenn.

berättelse

Dipolantenn med anpassning ( Lecher -linje ) för ca 2 GHz

Antenner gjorda av sträckta trådar går tillbaka till fysikern Heinrich Hertz , som ville kontrollera de teoretiska förutsägelserna av fysikern James Clerk Maxwell från 1865 med sina experiment. Den 11 november 1886 uppnådde han det första experimentella beviset för överföring av elektromagnetiska vågor från en sändare till en mottagare med hjälp av två hertziska dipoler . ^[3] Den använda våglängden var cirka 2 m i dagens VHF -område . Eftersom det initialt inte fanns några detektionsanordningar för så höga frekvenser, utfördes de efterföljande experimenten av andra experter med elektromagnetiska vågor, som hade en betydligt lägre frekvens och därmed en större våglängd. Våglängden som används - förmodligen några hundra meter - kan knappast fastställas, varför det inte är nödvändigt att fråga om antennerna som använts är avstämda till resonans .

År 1893 påbörjade Nikola Tesla experiment med olika enkla oscillatorer som gnistgap och kunde i slutet av 1896 ^[4] uppnå bra långdistansöverföringsresultat på två megahertz mellan en sändarstation i New York och en mottagarstation 30 kilometer bort . Den 2 september 1897 ansökte han om två patent (nr 649 621 och 645 576) för trådlös energitransmission.

Guglielmo Marconi presenterade sin metod för allmänheten den 10 maj 1897 och skickade signaler över Bristol Channel . I oktober 1897 var sträckan 15 km. Termen "antenn", som antogs av de flesta europeiska språken i början av 1900 -talet, går också tillbaka till Marconi. Inledningsvis hänvisade han dock bara till radiomottagare som antenn (först 1895), och först i senare skrifter sedan även till överföringssystem. Ordet "antenn" betydde ursprungligen "segelstav" ( Rah ), men användes också som en zoologisk term för antenner av insekter, spindeldjur och sniglar. Den etymologiska ordboken för det tyska språket anser därför att en härledning från formen (stången) såväl som från funktionen (informationsmottagande instrument) är möjlig. ^[5] Språkvetaren Jost Trier har lagt fram tesen i två specialuppsatser om att analogin till zoologi, det vill säga till djurantennerna utrustade med många receptorer , var avgörande här. ^[6]

1901 var Marconi den första att överbrygga Atlanten från Irland till Newfoundland med en kite -antenn på 100 m höjd. 1909, vid sidan av Ferdinand Braun, fick Marconi Nobelpriset i fysik för utvecklingen av trådlös telegrafi. Marconi -antennen är uppkallad efter honom.

Första världskriget 1914 markerade själva början på antenntekniken. Loopantenner användes ursprungligen som mottagare, antennmatriser följde runt 1920 (se nedan) , senare hornantenner och parabolantenner .

princip

Animation: Strålning av en elektromagnetisk våg från en dipolantenn: Endast den elektriska fältkomponenten i vågen visas här.

Animation: mottagning av en radiovåg från en dipolantenn

I allmänhet kan antenner förstås som kopplingselement mellan styrda och ostyrda elektromagnetiska vågor, dvs som omvandlare mellan linjevågor och lediga rymdvågor. Källan är alltid en elektrisk eller magnetisk dipol. En (rumslig) transformation i närområdet, i vilken fälternas riktningar (inom utbredningshastigheten) roteras, skapar den upplösta vågfronten för en elektromagnetisk våg i fjärrområdet.

Fjärrfält för en linjärt polariserad elektromagnetisk våg i ett vakuum. Den monokromatiska vågen med våglängd

\lambda

{\ displaystyle \ lambda}

\ lambda

förökar x -riktning, det elektriska fältets styrka

{\vec {E}}

{\ displaystyle {\ vec {E}}}

{\ vec {E}}

(i blått) och magnetflödestätheten

{\vec {B}}

{\ displaystyle {\ vec {B}}}

{\ vec {B}}

(i rött) är vinkelräta mot den.

Elektromagnetiska vågor består av polariserade elektriska och magnetiska fält, som genereras omväxlande genom koppling och rymdförökas som tvärgående vågor i ett vakuum utan förluster. Om gränsvillkoren anges ger Maxwells ekvationer en exakt beskrivning. I praktiken beräknas dock energistrålningen med en approximationsmetod.

Skapande av en λ / 2 dipolantenn från en oscillerande krets, blå: elektriska fält, röd: magnetfält

En antenn genererar alltid både elektriska och magnetiska fält. Med hjälp av exemplet på en resonansdipolantenn förklarar grafiken hur en antenn skapas från en oscillerande krets som består av en kondensator och en spole (animationens start) genom rumslig expansion (att fälla ut stavarna eller generera den rumsliga transformationen genom att rotera elektrisk fält med 90 °): ledarstängerna roteras utåt med ± 90 ° och elektriska fält är aktiva mellan staplarna (visas i blått); Magnetfält verkar längs ledarstängerna (ritade i rött som en cirkel). Fälten sprider sig inte oändligt snabbt, men med ljusets hastighet och inom denna så kallade "informationsdiameter" med v ≤ c är fälten kopplade via orsak och verkan (sfärens diameter: λ / 2). Om antennen exciteras resonans bildas slutna fältlinjer; det förändrade elektriska fältet genererar associerade magnetfältlinjer, det förändrade magnetfältet genererar associerade elektriska fältlinjer. Ett blindfält bildas i närheten av antennen, dvs fälten sprids bort från källan och tillbaka igen. Det förökande fältet förlorar kopplingen till antennen vid kantområdet när fältvektorernas riktning är omvänd. Fälten avvisas av vändningen och kan inte längre återgå till antennen. En elektromagnetisk våg sänds ut i rummet. Utanför "informationsdiametern" (fjärrfältet) finns det inte längre någon koppling till antennen, eftersom ljusets hastighet för överföring av information inte kan överskridas.

Den tekniska generationen av de elektromagnetiska vågorna sker med en elektrisk eller en magnetisk fältkälla från ett matningsväxlingsfält eller växelström. Följaktligen finns det bara ett elementärt grundelement (dvs. längd <λ / 10) för att generera fält:

den elektriska dipolen (stavform), liksom
den magnetiska dipolen (loopform).

Kretssymboler för antennanslutningar, till vänster två för enpoliga långtråds- eller stavantenner, till höger för två dipolvarianter

Dessa används också som grundläggande fältelement i den numeriska fältberäkningen ( momentmetod eller ändlig elementmetod ). Alla andra antennformer kan spåras tillbaka till dessa två grundläggande element.

Rymligt kan antennformer kännetecknas av deras strålningslängd i multiplar eller fraktioner av våglängden λ (grekiska bokstaven lambda):

Längd <λ / 10 (approximation: linjär)
Längd ≤ λ / 2 (approximation: sinusformad eller cosinusoidal för en annan referenspunkt)
Längd> λ / 2 (inflygning med resande våg, dvs. utan reflektioner: konstant, inflygning med stående våg, dvs. med reflektioner: olinjär)

Elementarradiatorer och förkortade antenner tillhör den första kategorin.
Radiatoren λ / 4 tillhör den andra kategorin.
Den tredje kategorin utan reflektioner eller resonanser (aperiodiska antenner) inkluderar de flesta bredbandsantenner, hornantennen, alla stängda antenner (rombantenn), stora spiralantenner etc.
Den tredje kategorin med reflektioner eller resonanser (periodiska antenner) inkluderar Yagi-antennerna (med reflektioner från regissören eller reflektorn), den fasade matrisen, backfire-antennen, V-antennen (rhombusantenn utan avslutning), den logaritmisk-periodiska antennen, bland andra

Enligt de grundläggande elementen ovan finns det:

Antenner som främst genererar elektriska fält, det vill säga kan delas upp i ministänger z. B. en elektrisk dipol och
Antenner som främst genererar magnetfält, det vill säga kan brytas ned i minislingor, t.ex. B. en ledarslinga (magnetisk dipol).

På närområdet kan emellertid fälten mellan de två typerna av antenner utbytas ömsesidigt ( Babinets princip ):

Det betyder att med en elektrisk dipol uppför sig sitt elektriska fält som magnetfältet hos en magnetisk dipol
och vice versa med en magnetisk dipol beter sig sitt elektriska fält som magnetfältet hos en elektrisk dipol (utbytta fält).

Reaktiv kraft lagras fortfarande i rummet i närområdet. I fjärrfältet är de elektriska och magnetiska fälten kopplade till varandra (förhållande E / H = Z0), dvs det är inte längre spårbart (eller urskiljbart) om fältkällan var elektrisk eller magnetisk och verklig effekt migrerar med vågen.

I princip, efter att växelströmmen har genererats i sändaren, levereras överföringseffekten till antennstrukturen via en matningsledning . Å ena sidan, genom att specificera linjeimpedansen (E / H -förhållandet för linjen är typiskt cirka 50 Ω), optimeras överföringsutgångssteget, dvs utsignalets utgångsimpedans är tekniskt sett till 50 Ω (linjeanpassning: linje har 50 Ω → utgångssteg får 50 Ω, tekniskt sett inga problem). Å andra sidan, med de rena antennerna, är värdena (utan linjeomvandlare) grovt fysiskt specificerade. En λ / 4 radiator kommer alltid att ha cirka 36 Ω som E / H -förhållandet. Effekten av en antenn, dvs också effektiviteten i hela systemet, beror emellertid direkt på matningen av linjeströmmen till antennstrukturen (matningspunkten). Följaktligen försöker man börja där och reducera reaktanskomponenten så långt som möjligt till noll (resonans) och göra strålmotståndet hos antennstrukturen så hög som möjligt (hög strålmotstånd → hög rymdkoppling). Om matchningsförhållandet avviker avsevärt från 1 används linjetransformatorer för matchning, som alltid har några ytterligare ohm (virvelström) ytterligare förluster. Exempel: Kabelimpedans: Z = 50 Ω, linjetransformator: Rv = 2 Ω (virvelströmförluster)

Längd / lambda = 1/10, Rs = 4 Ω → verkningsgrad: 4 / (2 + 4) = 67%
Längd / lambda = 1/4, Rs = 36,6 Ω → verkningsgrad: 36,6 / (2 + 36,6) = 95%

Antenner som är betydligt kortare än en tiondel av våglängden har teoretiskt sett samma fältkoppling till rummet som de längre antennerna med λ / 2, men i praktiken är förlusterna större med den förra.

Differentiering mellan elektriska och magnetiska antenner

Referenspunkten är fältvågmotståndet i ledigt utrymme på cirka 377 Ω. Fältkällor med högre impedans har ett övervägande kapacitivt fält och bildar elektriska antenner, fältkällor med lägre impedans har ett övervägande induktivt fält och bildar ömsesidiga magnetiska antenner. Förhållandet mellan rumsimpedansen och 377 Ω bestämmer andelen av det ömsesidiga fältet, dvs en fältkälla med 37,7 Ω har 90% ett elektriskt fält och 10% ett magnetfält (elektromagnetisk koppling, E -fält nio gånger så stort som H. -Fält). Följaktligen får den 90% elektriska fält. I fjärrfältet är alla antenner desamma eftersom E- och H -fälten nu verkligen är vinkelräta mot varandra och fältkällimpedansen där har anpassat sig till fältvågmotståndet. På nära håll måste varje antenn vara frekvensselektiv, eftersom den som en elektrisk eller magnetisk källa bildar en resonanskropp med rummet och bygger upp ett vektorfält (i storleksordningen en halv våglängd). Detta vektorfält sträcker sig i fjärrfältet för att bilda Poynting -vektorn , som kopplar ihop sig där som en elektromagnetisk våg och nu bildar ett kraftfält där de elektriska och magnetiska fälten är i fas med amplitudförhållandet E / H = 377 Ω. ^[7]

ömsesidighet

Gensidighet eller reversibilitet existerar när orsak och verkan kan bytas ut i ett arrangemang utan att de karakteristiska relationerna förändras. Antenner är teoretiskt ömsesidiga, så de kan användas för både sändning och mottagning med samma karakteristiska egenskaper. Detta innebär att vissa typiska termer för överföring av antenner, till exempel "belysning" eller "bländningsfaktor" för reflektorer, också kan användas för rena mottagningsantenner, eftersom de har ett jämförbart inflytande på mottagning (som i detta exempel på den effektiva antennområdet antennen). Det aktiva elementet i en antenn kallas en "radiator", oavsett om den används som sändarantenn eller mottagarantenn.

I praktiken begränsas sändningseffekten hos en antenn av närhetseffekten (extrema fall: bågformning) och av icke-linjäriteter hos hjälpelementen (ferrit, resonanskretsar). Vissa antenner tål endast liten eller ingen överföringseffekt alls (t.ex. aktiva mottagningsantenner). Optimerade mottagarantenner med förstärkare är i allmänhet anpassade annorlunda än sändande antenner.

I samband med bredbandssignaler ( UWB ) bör det noteras att ömsesidighet inte betyder att en mottagare med en (bredbands) antenn av samma typ som sändaren får en sann kopia av den överförda signalen.

I praktiken gäller ömsesidigheten endast i begränsad omfattning. En antenn som är avsedd för mottagning kan skadas om den ska avge den höga elektriska effekten hos ett sändarsystem. Mottagande antenner vars icke-linjära element, till exempel ferrit, inte är utformade i enlighet därmed, är också olämpliga som sändande antenner.

Ömsesidigheten motsäger uppenbarligen det faktum att under cirka 30 MHz är mottagningsantennens effektivitet mindre viktig än sändningsantennens. Orsakerna är bullertemperaturen i atmosfären och störningar från elektriska apparater och åskväder. Vid låga frekvenser dominerar dessa förstärkarens inneboende brus även med mottagande antenner med mycket dålig effektivitet. Stora mottagarantenner erbjuder fördelar på grund av deras riktningseffekt, med vilken de döljer störningar från andra riktningar. Ett typiskt exempel på en ren mottagarantenn med mycket dålig effektivitet är dryckesantennen .

Antennparametrar

Antenner kännetecknas av olika parametrar och termer. Några av termerna kommer från teorin genom förenklingar.

Följande förenklingar är vanliga:

kvasi-optiska förhållanden (fjärrfält: tvärgående vågor )
linjär strömkurva (längd <λ / 10) eller
sinusformad strömkurva (längd: multipel av λ / 4 eller λ / 2)
olinjär strömkurva (reflektionspunkter med fasskift: längd> λ / 4).

Om reflektionspunkter med fasskift uppstår (längd> λ / 4) är analytiska beräkningar vanligtvis för komplicerade och istället bestäms karakteristiska värden genom simulering (ändliga elementmodeller) och verifieras genom mätning. (Reduktionsfaktor, strålningsmotstånd, bandbredd, nära eller långt avstånd).

Antennparametrar
Absorptionsområde (effektivt område) Antennförstärkning Antennfaktor Öppning Bandbredd Impedans (baspunktsmotstånd) Sidelob dämpning Öppningsvinkel polarisering Riktlinjefaktor Strålningsmotstånd Förhållande fram till sida Fram-till-bak-förhållande Effektivitet

polarisering

Antenner avger polariserade vågor. Riktningen för den elektriska fältvektorn valdes som polarisationsplan. Med vertikal polarisation pendlar den elektriska fältvektorn mellan ovan och under, med horisontell polarisering mellan vänster och höger. Polarisationen av de mottagande och sändande antennerna bör matcha, annars kommer signalöverföringen att försvagas kraftigt.

Detta kan kringgås med cirkulärt polariserad strålning: Förändringar i polarisationsplanet som med roterande satelliter undviks eftersom den elektriska fältvektorn inte oscillerar i ett plan, utan roterar. Emellertid vänder cirkulärt polariserade signaler deras rotationsriktning när de reflekteras. De genereras t.ex. B. med korsdipoler , med horisontellt och vertikalt polariserade vågor av samma fas överlagras. Ett 90 ° fasskifte mellan den horisontellt och vertikalt polariserade vågen kallas cirkulär polarisation . Beroende på fassekvensen talar man om cirkulär polarisering på höger eller vänster sida . Om de två komponenterna har olika styrka skapas en elliptisk polarisering .

En vanlig antenn för att generera cirkulärt polariserade vågor är spiralantennen .

Basmotstånd

Ekvivalent kretsschema för impedans

Om reaktansen jX för en antenn försvinner vid resonans, är baspunktmotståndet (eller ingångsmotståndet ) hos en antenn verkligt och beräknas utifrån den matade effekten P och strömmen I , som kan mätas vid anslutningsterminalerna. Vanligtvis bryts den ner i summan av förlustmotståndet och strålningsmotståndet.

R_{\text{Fußpunkt}}={\frac {P}{I^{2}}}=R_{\text{Strahlung}}+R_{\text{Verlust}}\,

{\ displaystyle R _ {\ text {baspunkt}} = {\ frac {P} {I ^ {2}}} = R _ {\ text {strålning}} + R _ {\ text {förlust}} \, }

R_ \ text {baspunkt} = \ frac {P} {I ^ 2} = R_ \ text {strålning} + R_ \ text {förlust} \,

Förlustmotståndet inkluderar bidrag såsom linjernas tråders ohmiska motstånd, ledarens hudeffekt, förluster i matchningsnätet och, i fallet med en asymmetrisk antenn (t.ex. markplanets antenn ), jordmotståndet (kombinerat förluster av den reflekterande antennplanet ). ^[Åttonde]

Beroende på vilken typ av kabel som används används antenner med det mest lämpliga basmotståndet. Därför:

Inom underhållningselektronik (t.ex. för marksänd TV -mottagning) är antennerna konstruerade för en impedans på 75 Ω.
Antenner för mobila radioenheter har baspunktmotstånd på cirka 50 Ω och lägre. Sändarnas impedanser är 50 Ω.
Baspunktmotståndet för en slutmatad dipol är 2200 Ω.

För att anpassa antennens basmotstånd till kabelns impedans och därmed hålla det stående vågförhållandet så nära värdet 1 som möjligt, används impedansomvandlare eller resonanstransformatorer .

Strålningsmotstånd

Strålningsmotståndet $R_{\mathrm {s} }$ ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {s}}}$ $R_ \ mathrm {s}$ av en antenn är en kvantitet som definierar förhållandet mellan antennströmmen I vid anslutningsterminalerna och den utstrålade effekten ${\overline {P}}$ ${\ displaystyle {\ overline {P}}}$ $\ överlinje {P}$ beskriver.

R_{\mathrm {s} }={\frac {\overline {P}}{I^{2}}}\,

{\ displaystyle R _ {\ mathrm {s}} = {\ frac {\ overline {P}} {I ^ {2}}} \,}

R_ \ mathrm {s} = \ frac {\ overline {P}} {I ^ 2} \,

Strålmotståndet är den viktigaste parametern för en antenn, eftersom den är direkt proportionell mot strålningseffekten, det vill säga den mängd som används för strålning. Strålningsmotståndet är den del som inducerar virvelströmmen i rummet, dvs mellan linjerna (i luft eller vakuum). Samtidigt induceras virvelströmmar i den elektriska ledaren (så kallad hudeffekt, med en mycket mindre virveldiameter). Virvelströmmen (med Poynting -vektor) utanför ledaren (strålningsmotstånd) och den inuti ledaren (hudeffekt) är relaterade, men endast strålningsmotståndet i vakuumet eller i luften (inga förluster) är fördelaktigt för rumsstrålning. Strålmotståndet måste därför alltid vara lägre än baspunktmotståndet (andra totala motstånd) och kan beräknas teoretiskt i speciella fall. En λ / 2 -dipol som inte påverkas av sin omgivning har en impedans på 73,2 Ω vid sin resonansfrekvens. Ett jordplan med ett oändligt förlängt, idealiskt ledande jordplan har hälften så mycket, dvs 36,6 Ω. Med en kraftigt laddad T -antenn är den mindre än 20 Ω.

Effektivitet

Med en exakt matchning bör energin som tillförs en antenn helst utstrålas i sin helhet. Detta idealfall uppnås aldrig: En del av den tillförda energin omvandlas till värme som energiförlust. Förhållandet mellan utstrålad effekt och den levererade verkliga effekten kallas effektiviteten hos en antenn $\eta _{\mathrm {A} }$ ${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {A}}}$ $\ eta_ \ mathrm {A}$ utsedd:

\eta _{\mathrm {A} }={\frac {\text{Nutzleistung}}{\text{Nutzleistung + Verlustleistung}}}

{\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {A}} = {\ frac {\ text {Useful power}} {\ text {Useful power + power loss}}}}}

\ eta_ \ mathrm {A} = \ frac {\ text {Användbar kraft}} {\ text {Användbar effekt + strömförlust}}

Eftersom effekten kan ställas in proportionellt till motsvarande motstånd med en konstant matningsström, för resonans ( $jX=0$ ${\ displaystyle jX = 0}$ $jX = 0$ ) följande relation kan ställas in:

\eta _{\mathrm {A} }={\frac {\text{Strahlungswiderstand}}{\text{Strahlungswiderstand + Verlustwiderstand}}}={\frac {R_{\mathrm {S} }}{R_{\mathrm {S} }+R_{\mathrm {V} }}}

{\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {A}} = {\ frac {\ text {Strålmotstånd}} {\ text {Strålningsmotstånd + förlustmotstånd}}} = {\ frac {R _ {\ mathrm {S} }} {R_ {\ mathrm {S}} + R _ {\ mathrm {V}}}}}

\ eta_ \ mathrm {A} = \ frac {\ text {Strålmotstånd}} {\ text {Strålningsmotstånd + förlustmotstånd}} = \ frac {R_ \ mathrm {S}} {R_ \ mathrm {S} + R_ \ mathrm {V}}

Långtrådantenner som inte motsvaras sällan uppnår mer än en% effektivitet. Den paraboliska antennen är vanligtvis över 50%, hornantennen på 80% och mer.

Effektiviteten beror också på hur ostört det långa fältet kan utvecklas:

Frekvenser över 30 MHz strålar vanligtvis in i det fria utrymmet och de resulterande vågorna är vanligtvis. A. tillräckligt långt från marken för att frigöras från den som strålning. Den sfäriska vågen från horisontella och vertikala antenner penetrerar knappast marken och reduceras lite av jordförluster. Utbredningsförhållandena för vågen är sedan kvasi-optiska.
Frekvenser under 30 MHz genererar sfäriska vågor med långa våglängder, vilket leder till enorma antennkonstruktioner. Jordförlusterna ökar mer och mer vid låga frekvenser, antennernas effektivitet minskar mer och mer och högre och högre överföringseffekter krävs för att kompensera för förlusterna. Optiska lagar gäller inte här. Ledande strukturer i närheten av antennen (jordade kraftledningar, blixtskyddsramar i byggnader) är svåra att undvika och absorberar energi. Horisontella antenner har större jordförluster på samma avstånd från marken som vertikala antenner. För att generera samma strålningseffekt vid 5 MHz med en konventionell antenn som vid 50 MHz behöver man en multipel av överföringseffekten. Vertikala antenner behöver ett välledande jordnät för att effektivt kunna utstråla, varför långvågssändare är placerade på floder och hedar. För horisontella antenner med ett litet avstånd från jorden (h <3/4 λ) reduceras strålningsmotståndet med virvelströmmar från jordytan. Mer inmatningseffekt krävs än med vertikala antenner (med samma effekt i sfären). Effektiviteten (förhållandet mellan utstrålad och injicerad effekt) är bättre med vertikala antenner. Den horisontellt matade vågen lossnar dock bättre från marken (ju längre från marken, desto bättre). Större intervall uppnås med horisontella antenner.

Direktivitet och antennförstärkning

Ingen antenn strålar lika i alla riktningar. Direktivitetsfaktorn D är förhållandet mellan strålningsintensiteten mätt i den föredragna riktningen och medelvärdet över alla riktningar. D = 1 motsvarar den icke-genomförbara isotropa radiatorn som används som referensantenn . Antennförstärkningen G använder den matade överföringseffekten dividerat med hela fasta vinkeln (4π) i nämnaren istället för den genomsnittliga strålningsintensiteten. Det tar också hänsyn till antennens effektivitet: $G=\eta _{\mathrm {A} }\cdot D$ ${\ displaystyle G = \ eta _ {\ mathrm {A}} \ cdot D}$ $G = \ eta_ \ mathrm {A} \ cdot D$ . Eftersom det är lättare att mäta energin som matas in än strålningsintensiteten i alla riktningar, mäts och nämns vanligtvis bara antennförstärkningen i datablad för kommersiella antenner. Båda storlekarna är relativa siffror och anges vanligtvis i decibel . Eftersom olika jämförande antenner kan användas ges antennförstärkningen antingen i dBd (referens: dipolantenn ) eller dBi (referens: isotrop radiator).

Antenndiagrammet för en antenn visar grafiskt strålningens vinkelberoende eller mottagningskänsligheten för en viss frekvens och polarisation. En generaliserad form av antenndiagrammet kallas också en riktningskarakteristik . De starkt flossade och ojämna antenndiagrammen som mäts i praktiken approximeras här till en geometriskt eller teoretiskt beräknad grundform (t.ex. en siffra av åtta egenskaper för dipolen eller cosecans²-karakteristiken för en radarantenn ).

Se även:

Absorptionsområde (effektivt område)

En mottagande antenn tar energi från en plan våg . Vågens strålningstäthet är en effekt per ytenhet. Den mottagna effekten kan tilldelas ett område, det effektiva absorptionsområdet A _W eller effektivt område. För en bländare ( se nedan ) är det effektiva området vanligtvis något mindre än det geometriska området A. Så är (med 100% effektivitet, så ) den aktiva ytan på ett rektangulärt horn med måtten a och b

A_{\mathrm {W} }={\frac {8ab}{{\pi }^{2}}}\approx 0{,}81ab.

{\ displaystyle A _ {\ mathrm {W}} = {\ frac {8ab} {{\ pi} ^ {2}}} \ approx 0 {,} 81ab.}

A_ \ mathrm {W} = \ frac {8ab} {{\ pi} ^ 2} \ ca 0 {,} 81 från.

Absorptionsområdet för en λ / 2 dipol är

A_{\mathrm {W} }\approx {\frac {\lambda ^{2}}{7,7}}.

{\ displaystyle A _ {\ mathrm {W}} \ approx {\ frac {\ lambda ^ {2}} {7.7}}.}

{\ displaystyle A _ {\ mathrm {W}} \ approx {\ frac {\ lambda ^ {2}} {7.7}}.}

Det effektiva området är per definition proportionellt mot förstärkningen G :

{\frac {A_{\mathrm {W} }}{G}}={\frac {\lambda ^{2}}{4\pi }}

{\ displaystyle {\ frac {A _ {\ mathrm {W}}} {G}} = {\ frac {\ lambda ^ {2}} {4 \ pi}}}

\ frac {A_ \ mathrm {W}} {G} = \ frac {\ lambda ^ 2} {4 \ pi}

Antennfaktor, effektiv antennlängd (eller antennhöjd för vertikala antenner)

Antennfaktorn AF för en antenn (används som mottagarantenn) är förhållandet (i princip frekvensberoende) mellan den elektriska fältstyrkan E för infallsvågan och antennens utspänning U:

\mathrm {AF} ={\frac {|E|}{|U|}}

{\ displaystyle \ mathrm {AF} = {\ frac {| E |} {| U |}}}

\ mathrm {AF} = \ frac {| E |} {| U |}

och kallas också omvandlingsmåttet eller omvandlingsmåttet. Er entspricht dem Kehrwert der (effektiven) Antennenlänge bzw. -höhe, hat die Einheit 1/m und ist eng verknüpft mit der Absorptionsfläche (Wirkfläche). Üblicherweise wird der Antennenfaktor logarithmiert in dB angegeben,

\mathrm {AF[dB(1/m)]} =20\log \left({\frac {|E|}{|U|}}\cdot \mathrm {1m} \right)

\mathrm {AF[dB(1/m)]} =20\log \left({\frac {|E|}{|U|}}\cdot \mathrm {1m} \right)

\mathrm{AF [dB(1/m)]} = 20 \log \left(\frac{|E|}{|U|}\cdot\mathrm{1 m}\right)

.

Nahbereich und Fernbereich

Im Nahbereich erzeugt der elektrische oder magnetische Dipol eine Feldverteilung, bei der ein Großteil der Energie immer wieder in die Antenne zurückfällt. Ab einem bestimmten Abstand schnürt sich die Feldverteilung ab und eine elektromagnetische Welle breitet sich räumlich aus. Dieser Bereich ist als Fernfeld definiert. Eine scharfe Abgrenzung gegen den Nahbereich ist nicht möglich. Eine Voraussetzung für die sich selbstständig fortbewegende Welle ist, dass die Phasenverschiebung zwischen elektrischem und magnetischen Feld verschwindet, während sie in Antennennähe 90° beträgt. Über die Phase lassen sich dadurch Nahbereich, Fernbereich und Übergangsbereich definieren.

Bandbreite

Grundsätzlich muss unterschieden werden zwischen:

resonanten Schmalbandantennen und
nicht resonanten Breitbandantennen .

Die (Einspeise-) Bandbreite einer resonanten (Schmalband-)Antenne hängt von ihrem Belastungswiderstand ab, dh, bei ±45° Phasenverschiebung sinkt die Güte (steigt die Dämpfung) des gesamten resonanzfähigen Gebildes. Je kleiner der Lastwiderstand, desto größer die Bandbreite, meist auf Kosten des Wirkungsgrades. Bei aktiven (Empfangs-)Antennen (mit FET-Eingangsstufe) kann der Lastwiderstand viel größer ausgelegt werden, um dadurch die Bandbreite des Systems zu vergrößern.

Bei nicht resonanten Breitbandantennen (Resonanz erst außerhalb ihres Nutzfrequenzbereiches) werden Reflexionen vermieden und die eingespeiste Welle (siehe B. mit 50 Ω Leitungsimpedanz) durch Aufweitung der Speiseleitung langsam an den Feldwellenwiderstand (377 Ω) angepasst. Die Grenzen des Frequenzbereiches werden dabei durch die Halbwertsbreite bestimmt. Das ist der Bereich, in dem die abgestrahlte Energie vom Maximalpunkt aus halbiert wird (−3 dB). Echte Breitbandantennen sind nicht resonant und durch besondere konstruktive Maßnahmen bleiben ihre elektrischen Eigenschaften in einem weiten Frequenzbereich nahezu konstant (Beispiele sind bikonische Antennen , Spiralantennen und LPA ). Bei der logarithmisch-periodische Antenne (LPA) wäre der Einzelstrahler zwar (schwach) resonant, durch das Zusammenwirken mit den Nachbarelementen entsteht jedoch die Breitbandigkeit.

Höhe der Antenne über Grund

Die Höhe der Antenne über Grund (nicht zu verwechseln mit der effektiven Antennenhöhe ) bestimmt die Ablöseeigenschaften der Kugelwelle (λ/2-Strahler im Bsp. für Höhenangaben vorausgesetzt) vom Erdboden. Die Höhe spielt ab > 2 λ praktisch keine Rolle mehr (su). Generierte Kugelwellen (λ/2-Strahler) erzeugen hemmende Gegenfelder (Strom erzeugt Gegenstrom, verschlechternder Strahlungswiderstand) für einen Bereich λ/2 unter ihnen (insgesamt λ, negatives Spiegelfeld, Erdfelder). Darunter (2 λ) entsteht ein förderndes Spiegelbild (2 λ), dh mit fördernder, gleichgerichteter Phase (erhöhender Strahlungswiderstand). Die Höhe der Antenne über Grund ist für die Abstrahlungseigenschaften von Bedeutung, besonders bei Frequenzen < 30 MHz. Im Bereich bis 300 MHz muss sie beachtet werden (h < 2 λ). Ab 300 MHz aufwärts spielt sie praktisch keine Rolle.

Antennen-Bauformen

Eine Aufzählung von Antennenarten bzw. -bauformen findet sich in der Kategorie Antennenbauformen .

Die Baugröße einer Antenne muss immer in Relation zur halben Wellenlänge betrachtet werden. Ist eine Antenne deutlich kleiner als ein Viertel der Wellenlänge, wird ihr Strahlungswiderstand sehr klein, weshalb ihr Wirkungsgrad gering wird. Je größer eine Antenne im Vergleich zur halben Wellenlänge wird, umso komplexer wird ihr Strahlungsdiagramm, weil Mehrfachreflexionen entstehen und sich überlagern. Die größten Antennen wurden Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts gebaut, als für Funk-Weitverbindungen ausschließlich Langwellensender benutzt wurden.

Beispiele von Antennen
Bezugsantennen lineare Antennen Flächenantennen Reflektorantennen Gruppenantennen magnetische Antennen

Die Gliederung von Antennenbauformen kann nach vielen Eigenschaften kategorisiert werden. Meist wird sie nach der Geometrie der Antenne vorgenommen, kann aber auch andere Kriterien (z. B. Bandbreite, Richtcharakteristik, Betriebsfrequenz) erfassen. Der Punktstrahler hat nur eine theoretische Bedeutung als Bezugsantenne zur einfacheren mathematischen Berechnung. Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen und benötigen wegen der Polarität als Feldquellen daher Dipole (elektrische oder magnetische).

Sind die Dimensionen der Antennenkonstruktionen klein im Vergleich zur halben Wellenlänge, verhält sich die Antennenstromverteilung vereinfacht linear.
Sind die Dimensionen der Antennenkonstruktionen groß im Vergleich zur halben Wellenlänge, wird die Antennenstromverteilung nichtlinear, es entstehen Moden, und die Antennen werden als Flächenantennen bezeichnet.

Andere Unterteilung von Antennen:

Linearstrahler (su) (lineare Antennen)
Flächenstrahler (su) (Flächenantennen):
- Aperturstrahler (su)
- Reflektorantennen
Gruppenantennen (su) bestehen aus vielen zusammengeschalteten gleichartigen Antennen.

Nach Anwendung bzw. Montageart können Antennen auch unterschieden werden in:

Stationsantennen (fest an einem Ort, oft auf einem Mast)
Mobilantennen (Betrieb in Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen)
Antennen für tragbare Geräte (Handfunkgeräte, Funktelefone, Mobiltelefone , Smartphones ).

Lineare Antennen

Stromverteilung (rot) und Winkelverteilung (blau) der Strahlung an einem Dipol für verschiedene Wellenlängen

Der Begriff lineare Antennen bezeichnet Antennen, die eine linienhafte Stromverteilung in der Antennenstruktur aufweisen. In Praxis wird die Linie, diese muss nicht geradlinig verlaufen, als ein gegenüber der Wellenlänge dünner elektrischer Leiter aus einem metallischen Draht oder aus einem metallischen Stab gebildet. Zu den linearen Antennen gehören alle Formen von Langdrahtantennen sowie Dipolantennen und auch Faltdipole .

Die lineare Antenne ist eine der gebräuchlichsten Strahlerformen. Sie wird beispielsweise als Sendemast in Rundfunksendern im Lang- und Mittelwellenbereich, als Drahtantenne im Kurzwellenrundfunk und auf Kurzwelle im Amateurfunk und Schiffsfunk, und als λ/2-Dipol als Strahler in Yagiantennen im VHF- bis UHF-Bereich sowie als λ/4-Dipol in Stabantennen für Kurzwelle bis jenseits des UHF-Bereiches (Funkdienste, Funktelefone, CB-Funk usw.) eingesetzt. Der Strom entlang der Antennenstäbe bzw. -drähte ist bei Längen unter λ/5 nahezu linear, bei Längen darüber sinusförmig verteilt. Es treten an den Enden (und bei längeren Antennen in Abständen der halben Wellenlänge) Stromknoten ( ${\underline {I}}=0$ ${\underline {I}}=0$ $\underline I = 0$ ) und Spannungsbäuche ( ${\underline {U}}={\hat {U}}$ ${\underline {U}}={\hat {U}}$ $\underline U = \hat U$ ) auf.

Die sinusförmige Stromverteilung auf Dipolantennen-Stäben wird zwar experimentell gut bestätigt, kann aber zur Berechnung des Eingangswiderstandes einer Antenne nicht herangezogen werden, da Strom und Spannung zeitlich nicht ganz um 90° phasenverschoben sind. Die Impedanz einer Antenne am Speisepunkt sollte jedoch keinen Blindwiderstandsanteil aufweisen, sie ist im Idealfall der äquivalente Serien- oder Parallelwiderstand, der durch die abgestrahlte Wirkleistung und – in geringem Maße – durch die Antennenverluste entsteht. Die Fußpunktimpedanz einer Antenne ist also ein rein ohmscher Widerstand, er sollte gleich der Leitungsimpedanz (Wellenwiderstand) der speisenden Leitung sein. Weicht die Antennen-Fußpunktimpedanz in ihrem Real- oder Imaginärteil davon ab, müssen Anpassglieder (Spulen, Baluns , π-Glieder, Anpassübertrager) eingesetzt werden.

Bei linearen Antennen ist die Länge im Verhältnis zur Wellenlänge λ maßgeblich. Die Verteilung der Strommaxima entlang der Strahler-Elemente einer symmetrischen, gestreckten Antenne ist ebenfalls symmetrisch und feststehend.

Halbwellendipol

Stromverteilung (rot) und Spannungsverteilung (blau) auf einem Halbwellendipol

Ist ohne Längenangabe von einer Dipolantenne die Rede, so ist meist ein Halbwellendipol gemeint. Seine Länge ist die Hälfte der Wellenlänge λ. Er wird symmetrisch gespeist. Im Speisepunkt ist er aufgetrennt; dort liegen ein Strommaximum und ein Spannungsminimum, die Impedanz beträgt 73,2 Ω.

Ein Faltdipol entsteht, indem der Stromweg eines Halbwellendipols auf zwei Wege aufgeteilt wird. In nur einem dieser Wege ist er aufgetrennt, dort liegt der Speisepunkt. Durch die induktive bzw. kapazitive Kopplung an den ungespeisten Stab halbiert sich der Speisestrom bei verdoppelter Speisespannung. Durch diese Impedanztransformation (auf jeder Seite ein λ/4-Transformator) vervierfacht sich beim Faltdipol die Impedanz des Speisepunktes auf etwa 240–300 Ohm. Der Vorteil des Faltdipols ist dessen mögliche geerdete Befestigung am Antennenträger sowie früher die Verwendbarkeit preiswerter symmetrischer Speiseleitungen, der sogenannten Bandleitung .

Eine breitbandigere Form ist der Flächendipol , auch er zählt zu den linearen Antennen.

In Fällen, bei denen eine Richtwirkung nicht erwünscht ist, z. B. bei angestrebtem Rundum-Empfang oder -Senden, kann ein Knickdipol eingesetzt werden, bei dem die beiden Strahlerhälften im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Alternativ werden die Strahlerhälften auch halbkreisförmig gebogen. Diese Bauform wird als Ringdipol bezeichnet.

Viertelwellenstrahler

Der Viertelwellenstrahler , auch als Monopolantenne oder Groundplane-Antenne bezeichnet, ergibt gespiegelt einen Halbwellendipol, wobei nur ein Zweig des Halbwellendipols als Antennenstab benötigt wird. Durch eine gut elektrisch leitfähige Oberfläche oder durch mehrere abstehende Stäbe im Antennenfußpunkt entsteht durch Induktionsströme eine (elektrisch messbare) Spiegelung des Antennenstabes. Je besser die Leitfähigkeit der Spiegelfläche, desto besser wird ein „ Gegengewicht “ zum Strahler generiert. Bei einem Handfunkgerät mit elektrischem Strahler wirkt der Körper des Benutzers mit seiner (wirksamen, doch nicht optimalen) Leitfähigkeit als Gegengewicht, bei KFZ-Antennen die gut leitende Karosserie und bei Funktelefonen und vielen Funkfernsteuerungen die Leiterplatte bzw. das Gehäuse.

Verwendet wird der Viertelwellendipol als Antenne für Handfunkgeräte und andere mobile Geräte z. B. in Kraftfahrzeugen. Er ist der kleinste optimale elektrische Strahler, falls eine gute Spiegelfläche existiert. Kleinere Strahler erkaufen sich die Kleinheit mit höheren Verlusten in den Verkürzungselementen und bilden immer einen Kompromiss.

Teleskopantenne an einem Fahrzeug

Als Teleskopantenne ist der Viertelwellendipol in mehrere kleinere Abschnitte unterteilt, die stufenförmig verjüngt teleskopartig ineinandergeschoben werden können. Das ergibt ein kleineres und somit besser transportfähiges (im nichtaktiven Zustand) Format für eine Empfangsantenne. Alle diese Abschnitte müssen sehr guten elektrischen Kontakt untereinander haben. Verwendet wird eine solche Teleskopantenne oft bei kleinen Taschenradios und tragbaren Funkgeräten. Eine Teleskopantenne kann durch Beschaltung des Fußpunktes mit einer zusätzlichen Induktivität elektrisch verkürzt werden und ist nur effektiv angepasst, wenn sie in voller Länge ausgezogen ist.

Ganzwellendipol

Setzt man zwei gleichphasig schwingende Halbwellendipole gestreckt aneinander, entsteht ein sogenannter Ganzwellendipol . Am Speisepunkt in der Mitte liegen ein Stromknoten und gegenphasige Spannungsmaxima, so dass die Impedanz hoch ist (> 1 kΩ). Wie beim Viertelwellendipol halbiert sich die Impedanz, wenn die untere Hälfte durch das Spiegelbild der oberen an einer leitenden Fläche gebildet wird. Eine gängige Antennenimpedanz von 240 Ω bildet sich ebenfalls durch Parallelschaltung von vier Ganzwellenstrahlern in einer Gruppenantenne.

Verkürzte lineare Antennen

Induktivität (Drahtfeder) am Antennenfußpunkt zur elektrischen Verlängerung einer geometrisch zu kurzen Stabantenne

Ist eine lineare elektrische Antenne kürzer als λ/4, hat die Fußpunktimpedanz eine kapazitive Komponente, die zur Anpassung kompensiert werden muss. Das kann durch Einfügen einer Serien -Induktivität ( Verlängerungsspule ) nahe beim Speisepunkt, eine zur Speisung parallel geschaltete Spule oder eine Dachkapazität am Antennenende erfolgen. Konstruktionen mit Dachkapazität erreichen eine bessere Stromverteilung und erzeugen einen besseren Wirkungsgrad als solche mit Verlängerungsspule. Eine typische Antenne mit Dachkapazität ist die T-Antenne .

Beispiele für Antennen mit Verlängerungsspulen sind die sogenannten Gummiwurst -Antennen an Handfunkgeräten, CB-Funk -Antennen mit Längen < 3 m und fast alle Antennen in Funkfernsteuerungen unterhalb des 433-MHz-ISM-Bandes (λ/4 = 18 cm).

Unterhalb von etwa 100 MHz ist der Wirkungsgrad einer Antenne nur für Sender wirklich wichtig. Bei reinen Empfangsantennen ist die entscheidende Frage, ob das gesamte Empfangssystem einen ausreichenden Signal-Stör-Abstand erreicht. Bei Antennen ohne starke Richtwirkung dominieren Umgebungsstörungen und das sogenannte atmosphärische Rauschen, nicht aber das Rauschen der Empfänger-Eingangsstufen. In diesem Fall sinken mit dem Wirkungsgrad sowohl das Signal als auch der Störpegel, das Verhältnis bleibt gleich.

Im Mittelwellenbereich sind elektrische Empfangsantennen und ihre Antennenkabel klein gegen die Wellenlänge. Ihre Impedanz am Speisepunkt ist deshalb nahezu kapazitiv. Deshalb verwendete man früher bei hochwertigen Empfängern – vor allem bei Autoradios – diese Kapazität als Kondensator des Eingangskreises. Die Abstimmung erfolgte dabei mit der veränderlichen Induktivität ( Variometer ) dieses Kreises.

Heute sind die üblichen Autoradio-Antennen in aller Regel aktive Antennen , dh, sie bestehen aus einem kurzen Stab und einem Verstärker mit hochohmigem, kapazitätsarmem Eingang. Die früher üblichen ausziehbaren Antennen sind in Neufahrzeugen kaum noch zu finden. Im Prinzip reicht als Verstärker ein Impedanzwandler wie ein als Sourcefolger beschalteter Feldeffekttransistor . Da eine solche Antenne aber sehr breitbandig ist, muss man das Großsignalverhalten mit erhöhtem Aufwand verbessern. ^[9]

Langdrahtantenne

Bei einer Langdrahtantenne übersteigt die Drahtlänge die halbe Wellenlänge λ wesentlich. ^[10] Die unter diesem Begriff zusammengefassten Antennenbauformen sind alle horizontal polarisiert und unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Speisung und die Form der Verlegung des Strahlers. Mit zunehmender Länge nähert sich die Hauptstrahlrichtung der Antennenlängsrichtung symmetrisch an. Wird das von der Speisung entferntere Leiterende mit einem Abschlusswiderstand gegen Erde versehen, dann kann sich auf der Antenne keine stehende Welle ausbilden. Man spricht in diesem Fall von einer aperiodischen Antenne, die durch die auf dem Leiter entlanglaufende Wanderwelle ein besseres Vor-Rück-Verhältnis erhält.

Solche langen Antennen haben, besonders bei niedriger Aufhängung (Höhe der Antenne über Grund), einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Sie werden aber häufig als Richtantennen für Empfangszwecke ( Beverage-Antenne ) genutzt.

Flächenantennen

Rechteckhornstrahler

Der Begriff Flächenantennen (oder Flächenstrahler) bezeichnet Antennen, die im Gegensatz zu den linearen Antennen eine leitungsgeführte Welle an einer Flächenausdehnung , beispielsweise eine Öffnung in einem Hohlleitersystem , in Freiraumwellen umwandeln und umgekehrt. Flächenstrahler werden bei Frequenzen oberhalb von etwa 1 GHz als Richtstrahler eingesetzt. Ein technisch einfaches Beispiel ist der Rechteckhornstrahler, bei dem ein Rechteckhohlleiter aufgeweitet wird bis die Öffnung in ihren Abmessungen groß gegenüber der Wellenlänge λ ist.

Aperturstrahler

Aperturstrahler sind Antennen, die über eine strahlende Öffnung ( Apertur ) elektromagnetische Energie abstrahlen oder aufnehmen. Je größer die Öffnung im Verhältnis zur Wellenlänge, desto stärker die Bündelung der Strahlung entsprechend dem Rayleigh-Kriterium . Aperturstrahler haben meistens die Form eines Hohlleiters , der sich allmählich zum Horn aufweitet. Dadurch bleibt die Feldverteilung der eingespeisten Welle weitgehend erhalten und der Übergang in den Freiraum ist nahezu reflexionsfrei.

Reflektorantennen

Als Reflektorantennen bezeichnet man Antennen, deren Ende entgegen der Strahlungsrichtung aus einer reflektierenden Fläche besteht. Im einfachsten Fall ist das eine Yagi-Antenne, deren Rückseite z. B. aus einer Vielzahl von Reflektorstäben oder einer im Verhältnis zur Wellenlänge größeren metallischen Fläche besteht.

Sofern Reflektorflächen von mindestens 10 Wellenlängen Durchmesser praktikabel sind, sind Parabolantennen in aller Regel das Mittel der Wahl. Vergleichbare Antennengewinne lassen sich, wenn überhaupt, nur durch Gruppenantennen erreichen, die komplexer aufgebaut sind. Im Brennpunkt eines Parabolspiegels (die Fläche ist ein Paraboloid ) sitzt der Primärstrahler . Das Strahlungsdiagramm dieser Antenne wird so gewählt, dass sie den Spiegel möglichst gut ausleuchtet , ohne darüber hinaus zu strahlen. Dafür eignen sich, je nach Frequenz, z. B. Hornstrahler oder kurze Yagi-Antennen.

Die Spiegel müssen keine geschlossenen Metallflächen sein, sondern dürfen Öffnungen von etwa 1/10 der Wellenlänge aufweisen, wodurch sich der Fertigungsaufwand und die Windlast senken lassen. Auch die Form der Fläche darf Abweichungen in dieser Größenordnung aufweisen. Für die Form des Spiegels kann im Prinzip ein beliebiger Teil des Paraboloiden genutzt werden. So benutzen viele Antennen für den Fernsehsatelliten-Empfang sogenannte Offsetantennen , bei denen der Brennpunkt nicht in der Symmetrieachse liegt, sondern daneben.

Weitere Formen

Antennen-Bauformen, die sich nicht unter vorgenannte Typen einordnen lassen, sind z. B.:

Wendelantennen (Abstrahlung in Richtung der Achse einer Draht- oder Streifenwendel, zirkulare Polarisation )
Vivaldi-Antennen (zweidimensionaler Exponentialtrichter am Ende einer Schlitzleitung )
Antennen, die durch Schlitze in Hohlleitern entstehen (Abstrahlrichtung quer oder längs zum Hohlleiter)
Spiralantennen , Abstrahlung beidseitig senkrecht zu einer aus Streifenleitungen gebildeten Spirale , zirkular polarisiert
Fraktalantenne
Topfantenne
Patchantennen und PIFA auf Leiterplatten
T2FD (Bauform ähnlich einem Faltdipol , durch einen Abschlusswiderstand aber ohne Resonanzeffekte)
dielektrische Antennen für Mikrowellen
Schmetterlingsantenne , verschiedene Bauformen, beispielsweise für den Empfang von DVB-T
Zimmerantennen zur Aufstellung oder Installation direkt im Wohnraum nahe einem Empfänger, es werden sowohl Linear- als auch Rahmen- oder Schmetterlingsantennen verwendet, oft auch als Aktivantenne.

Gruppenantennen

Eine Aufzählung von Gruppenantennen siehe unter Kategorie:Gruppenantenne .

Der Begriff Gruppenantenne (auch Antennenarrays genannt) bezeichnet Antennen, die aus einer Anzahl von Einzelstrahlern konstruiert sind, deren abgestrahlte Felder sich überlagern und durch konstruktive Interferenz zu einem gemeinsamen Antennendiagramm formen. Als Einzelstrahler können fast alle Antennenbauformen eingesetzt werden, also auch im Aufbau komplizierterer Antennen, wie Yagi-Antennen .

Alle Einzelantennen befinden sich meist geometrisch in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung und müssen jeweils phasenrichtig zueinander gespeist werden. Satelliten-Empfangsantennen, die wie eine flache, meist rechteckige Fläche aussehen, sind typische Vertreter einer Gruppenantenne. Gruppenantennen kann man als den Spezialfall eines Phased Array betrachten, bei dem alle Antennen mit der gleichen Phasenlage angesteuert werden.

Phased Array

Eine Verallgemeinerung der Gruppenantenne ist das Phased-Array. Bei dieser Antennengruppe können die einzelnen Strahlerelemente oder Strahlergruppen mit unterschiedlicher Phasenlage und manchmal auch mit unterschiedlicher Leistung gespeist werden. So lässt sich das Richtdiagramm der Antenne rein elektronisch, also sehr schnell, ändern und wird für Radar-Anlagen benutzt. Auch Empfangsgeräte für Satelliteninternet werden mit Phased-Array-Antennen ausgestattet. ^[11] ^[12]

Monopuls-Antenne

Eine Monopuls-Antenne wird bei modernen Radargeräten verwendet, um die Genauigkeit der Winkelmessung bei der Richtungsbestimmung sowie das Zeitbudget des Radars zu verbessern. Bei der Monopulsantenne werden die einzelnen Strahler in zwei Hälften (oder vier Quadranten für dreidimensionales Radar) aufgeteilt. Aus deren Empfangssignalen werden in einem Monopuls-Diplexer sowohl Summen- als auch Differenzsignale gebildet, die in zwei bis vier identischen Empfangskanälen weiterverarbeitet werden. Mit diesen Signalen kann ein Rechner die Position eines Zieles innerhalb des Peilstrahls bestimmen.

Magnetische Antennen

Magnetische Rahmenantennen in einem Antennenarray

Magnetische Antennen verwenden primär ein Magnetfeld zur Strahlungserzeugung bzw. empfangen primär die magnetische Feldkomponente der elektromagnetischen Strahlung. Sie bestehen aus einer Leiterschleife (im einfachsten Fall mit nur einer Windung) und besitzen durch das Vektorfeld eine Richtwirkung (bei stehender Spule eine Achtcharakteristik) und können, wie alle verkürzten Antennen, gegenüber der Wellenlänge sehr klein sein, wenn die Spule aus mehreren Windungen besteht. Zu den magnetischen Antennen zählen auch die Rahmenantennen , aus einer drehbaren Spule bestehende Peilantennen und Ferritantennen , jedoch nicht induktiv verlängerte Antennen wie die Gummiwurst . Auch die Wendelantenne ist keine magnetische Antenne, da der gewundene Leiter zur Führung der Welle dient und dort schon das Fernfeld anfängt.

Antennensimulation

Neben der messtechnischen Bestimmung von Antennenparametern hat die Simulation von Antennen bzw. ganzer Antennensysteme samt in der Nähe befindlicher weiterer Einflussfaktoren (Masten, metallische Abspannseile usw.) per Computer an Bedeutung gewonnen. Die Rechnersimulation erlaubt eine hohe Genauigkeit, wenn es denn gelingt, die Antenne (und gegebenenfalls deren relevante Umgebung) auch genau in den Rechner zu „übernehmen“. Eine ausreichend genaue Modellierung einer Antenne im Rechner wirft aber meistens geringere Probleme auf als die messtechnische Erfassung und ist deshalb auch billiger. Insbesondere ab Frequenzen im UHF-Bereich und bei sehr kleinen Funkmodulen – z. B. für Nutzung in den ISM-Bändern – wird eine messtechnische Erfassung der Antennenimpedanzwerte deutlich ungenauer sein als eine Simulation. Gleiches gilt auch für das Abstrahlverhalten bei harmonischen Frequenzen (sog. Oberwellen). Viele Computerprogramme für die Antennensimulation beruhen auf dem NEC2-Algorithmus (Numerical Electromagnetic Code), der ursprünglich für die US-amerikanischen Streitkräfte entwickelt wurde und frei zugänglich ist.

Mit Hilfe von modernen und handelsüblichen Simulationsprogrammen können die verschiedenen Parameter der Antenne (z. B. die Antennenimpedanz, Strahlungscharakteristik) auch über einen größeren Frequenzbereich berechnet werden. So kann beispielsweise die räumliche Strahlungscharakteristik anschaulich als dreidimensionale Fläche mit entsprechenden Erhöhungen „Bergen“ und Vertiefungen „Tälern“ als Falschfarbendarstellung visualisiert werden. Außerdem ist es auch möglich, die Stromverteilung entlang der Antenne anzugeben, um hieraus konstruktive Verbesserungen abzuleiten.

Sicherheitsbestimmungen beim Antennenbau

Blitzschutz

Werden Antennen im Freien an hohe Masten montiert, welche die Umgebung überragen, so müssen sie vor Blitzschlag geschützt werden. Die Vorschriften dazu sind im Baurecht des jeweiligen Landes oder Staates enthalten. Für Deutschland siehe das Merkblatt des VDE. ^[13]

Statik

Antennen bieten starkem Wind einen Widerstand, Windlast genannt. Die Antennen- und Mastkonstruktion muss diese zusätzlichen Kräfte aufnehmen können. Beim Errichten von Antennenanlagen muss diese Windlast, die in den Datenblättern von Antennenherstellern angegeben wird, bei der statischen Berechnung berücksichtigt werden. Aufgrund starker Verformungen der Seilnetzwerke von Vorhangantennen infolge hoher Windlasten ist es erforderlich, die statische Untersuchung nach Theorie III. Ordnung vorzunehmen und die hochfrequenztechnische Antennensimulation am verformten System anzusetzen ^[14] .

Vereisung

Antennen, Mastkonstruktionen und Abspannungen können im Winter vereisen. Dabei können das Gewicht der Antennenkonstruktion und die Angriffsfläche für die Windlast erheblich vergrößert werden, sowie eine starke Dämpfung des Signals auftreten. Außerdem können durch herabfallende Eisbrocken Menschen verletzt werden. Deshalb sind beim Aufbau und Betrieb einer Antennenanlage mögliche Gefahren, die durch Vereisung entstehen können, zu berücksichtigen.

In Einzelfällen werden Teile der Antennenanlage auch geheizt, um die Leistungsverluste der Antenne im Winter zu kompensieren und einer Vereisung vorzubeugen. Eine andere Möglichkeit, einer Vereisung bis zu einem gewissen Grad vorzubeugen, sind hohle Antennenträger aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) mit glatter Außenoberfläche, in welche die Antennen eingebaut werden, oder durchgehende Kunststoffschalungen als Vorbau, auch als Radom bezeichnet. Diese Techniken werden vor allem bei UHF-Fernsehsendern, manchmal aber auch bei VHF- und UKW-Sendern angewendet.

Bilder

Typische Breitbandantenne für einfache EMV-Messungen
Spiralantenne im THz-Bereich (Durchmesser ca. 0,13 mm)
Wurfantenne (zusammengerollter Faltdipol für UKW -Empfang).
Aktive Zimmerantenne für VHF- und UHF-Empfang
Rillenhornstrahler (Flächenantenne)
Gruppenantenne aus sechs Yagi-Antennen mit Kreuzdipol für Satellitenkommunikation.
Parabolantenne mit 2,70 m Durchmesser
Ferritantenne mit Spulensatz für Lang-, Mittel- und Kurzwelle
Rahmenantenne aus der Frühzeit des Radioempfangs
Installation eines Phased-Array-Radars
Antennenspitze des Stuttgarter Fernsehturms
Parabolantenne des Wetterradars „Meteor 1500 S“ in Adelaide (Australien)
VDF-Groß-Basis Doppler-Peilantenne der Deutschen Flugsicherung auf dem Deister bei Hannover
NVIS -Antenne auf einem Fuchs-Panzer M93A1 „FOX“

Siehe auch

Literatur

Günther Grünbeck: Der Antennenbaukasten. Antennen, Zubehör und Messgeräte selbst gebaut (= Funk-Technik-Berater). Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 2003, ISBN 3-88180-394-7 .
Albrecht Hock, Arastou Tscharmi: Antennenpraxis. Eine Einführung in die Welt der Antennen. Sehen, Erkennen und Verstehen. Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim 1995, ISBN 3-8169-1150-1 .
Paweł Kabacik: Reliable evaluation and property determination of modern-day advanced antennas Oficyna . Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004, ISBN 83-7085-765-5 .
Manfred Loidiller: Sicherheitsanforderungen für Antennen und Kabelnetze. VDE-Verlag, Berlin/Offenbach 2005, ISBN 3-8007-2784-6 .
H. Meinke, FW Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. 4. Aufl., Springer-Verlag, Berlin 1986, ISBN 3-540-15393-4 .
Karl Rothammel: Rothammels Antennenbuch . Neu bearbeitet und erweitert von Alois Krischke. 12. aktualisierte und erweiterte Auflage. DARC-Verlag, Baunatal 2001, ISBN 3-88692-033-X .
Lothar Starke, Herbert Zwaraber: Praktischer Aufbau und Prüfung von Antennen- und Verteilanlagen. 14. Auflage. Hüthig, Heidelberg 2002, ISBN 3-7785-2897-1 .
Martin Gerhard Wegener: Moderne Rundfunk-Empfangstechnik. Franzis-Verlag, München 1985, ISBN 3-7723-7911-7 .
Otto Zinke , Heinrich Brunswig: Hochfrequenztechnik. Bd. 1 und 2. Springer-Verlag, ISBN 3-540-66405-X bzw. ISBN 3-540-64728-7 .
Wolfgang Burkhardtsmaier : Antennen- und Anlagentechnik bei AEG. Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg 1987.

Weblinks

Commons : Antennen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Antenne – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Bildersammlung von unterschiedlichsten Antennenbauformen ( Memento vom 1. Februar 2012 im Internet Archive )

Einzelnachweise

↑ THz Forschung – Experimentelle Halbleiterphysik. Philipps-Universität Marburg, abgerufen am 23. August 2016 .
↑ mpg.de 1,5-THz-Astronomie.
↑ Albrecht Fölsing: Heinrich Hertz. Hoffmann und Campe, Hamburg 1997, ISBN 3-455-11212-9 , S. 275.
↑ Zitate aus dem www: Nikola Tesla – Erfinder, Wissenschaftler und Phantast
↑ Friedrich Kluge: Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache . 22. Auflage, De Gruyter, Berlin/New York 1989, S. 32f.
↑ Jost Trier : Antenne . In: Ulrich Engel ua (Hrsg.): Festschrift für Hugo Moser: Zum 60. Geburtstag am 19. Juni 1969. Pädagogischer Verlag Schwann, Düsseldorf 1969, S. 193–201, und ders. Eine homologische Funktionsmetapher der modernen Technik: Antenne , in: Jost Trier: Wege der Etymologie . Hrsg. von Hans Schwarz. Erich Schmidt Verlag, Berlin 1981, S. 118–125.
↑ A DESIGNERS GUIDE TO SHIELDING (PDF; 2,6 MB)
↑ ABSTRAHLUNG UND ANTENNEN (PDF; 819 kB)
↑ Dominik Liebich: Aktivantenne von 10kHz bis 50MHz nach DB1NV. (PDF; 179 kB) (Nicht mehr online verfügbar.) darc.de, 6. April 2005, archiviert vom Original am 1. Juli 2015 ; abgerufen am 23. August 2016 .
↑ Otto Zinke, Heinrich Brunswig, Anton Vlcek, Hans Ludwig Hartnagel, Konrad Mayer: Hochfrequenztechnik. Elektronik und Signalverarbeitung. 1999, ISBN 3-540-66405-X (eingeschränkte Vorschau)
↑ Dave Mosher: New photos appear to show Elon Musk's 'UFO on a stick' device that will connect users to SpaceX's fleet of Starlink internet satellites. Abgerufen am 7. Mai 2021 (amerikanisches Englisch).
↑ Martina E. Medic (Text), Balz Rittmeyer, Jasmine Rueegg (Grafiken): Starlink – so funktioniert das Satelliten-Internet von Elon Musk | NZZ . In: Neue Zürcher Zeitung . ( nzz.ch [abgerufen am 7. Mai 2021]).
↑ Ausschuss für Blitzschutz und Blitzforschung des VDE (ABB): ABB-Merkblatt 16: Blitzschutzsysteme oder Antennenerdungen für Funksende-/-empfangssysteme 2008.
↑ Peter Bruger, Bernd Buchmann, Karl-Eugen Kurrer , Claudia Ozimek: Rotatable shortwave curtain antenna operable at very high wind speeds , in: IEEE Transactions on Broadcasting, Bd. 42, Nr. 1, März 1996, S. 50–54

[1] THz Forschung – Experimentelle Halbleiterphysik. Philipps-Universität Marburg, abgerufen am 23. August 2016 .

[2] .de 1,5-THz-Astronomie.

[3] Albrecht Fölsing: Heinrich Hertz. Hoffmann und Campe, Hamburg 1997, ISBN 3-455-11212-9 , S. 275.

[4] Zitate aus dem www: Nikola Tesla – Erfinder, Wissenschaftler und Phantast

[5] Friedrich Kluge: Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache . 22. Auflage, De Gruyter, Berlin/New York 1989, S. 32f.

[6] Jost Trier : Antenne . In: Ulrich Engel ua (Hrsg.): Festschrift für Hugo Moser: Zum 60. Geburtstag am 19. Juni 1969. Pädagogischer Verlag Schwann, Düsseldorf 1969, S. 193–201, und ders. Eine homologische Funktionsmetapher der modernen Technik: Antenne , in: Jost Trier: Wege der Etymologie . Hrsg. von Hans Schwarz. Erich Schmidt Verlag, Berlin 1981, S. 118–125.

[7] A DESIGNERS GUIDE TO SHIELDING (PDF; 2,6 MB)

[8] ABSTRAHLUNG UND ANTENNEN (PDF; 819 kB)

[9] Dominik Liebich: Aktivantenne von 10kHz bis 50MHz nach DB1NV. (PDF; 179 kB) (Nicht mehr online verfügbar.) darc.de, 6. April 2005, archiviert vom Original am 1. Juli 2015 ; abgerufen am 23. August 2016 .

[10] Otto Zinke, Heinrich Brunswig, Anton Vlcek, Hans Ludwig Hartnagel, Konrad Mayer: Hochfrequenztechnik. Elektronik und Signalverarbeitung. 1999, ISBN 3-540-66405-X (eingeschränkte Vorschau)

[11] Dave Mosher: New photos appear to show Elon Musk's 'UFO on a stick' device that will connect users to SpaceX's fleet of Starlink internet satellites. Abgerufen am 7. Mai 2021 (amerikanisches Englisch).

[12] Martina E. Medic (Text), Balz Rittmeyer, Jasmine Rueegg (Grafiken): Starlink – so funktioniert das Satelliten-Internet von Elon Musk | NZZ . In: Neue Zürcher Zeitung . ( nzz.ch [abgerufen am 7. Mai 2021]).

[13] Ausschuss für Blitzschutz und Blitzforschung des VDE (ABB): ABB-Merkblatt 16: Blitzschutzsysteme oder Antennenerdungen für Funksende-/-empfangssysteme 2008.

[14] Peter Bruger, Bernd Buchmann, Karl-Eugen Kurrer , Claudia Ozimek: Rotatable shortwave curtain antenna operable at very high wind speeds , in: IEEE Transactions on Broadcasting, Bd. 42, Nr. 1, März 1996, S. 50–54

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