Leitungen & Antennen
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- Tomas Arnold
- vor 8 Jahren
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1 P&S Amateurfunkkurs HS 2015 Leitungen & Antennen Marco Zahner Marco Zahner
2 Übersicht HF Leitungen: Wellenimpedanz Impedanz und Anpassung Was ist eine Antenne Der Dipol Stromverteilungen Richtdiagramm Antennengewinn und ERP Marco Zahner
3 HF Leitungen und Wellenimpedanz Wie wird Leistung von A nach B übertragen? l L Spannungsquelle (Gleichspannung) U L R L l 1 l 2 Signalgenerator f = 10 GHz L L L U Q C C C U L R L Z Leitung = L C -> Energie wird in der Leitung zwischengespeichert -> Spannung entlang der Leitung ist nicht überall gleich! C Kapazitätsbelag [F/m] L Induktivitätsbelag [H/m] Marco Zahner mzahner@ethz.ch
4 HF Leitungen und Wellenimpedanz Die Wellenimpedanz einer Leitung ist Unabhängig von der Leitungslänge Durch Geometrie und Material der Leitung bestimmt Beispiel: Koaxialleitung: L = μ 2π ln D d C = 2πε ln D/d Z 0 = L C = 1 2π μ ε ln D d Signalgeschwindigkeit in der Leitung Typisch: fache Lichtgeschwindigkeit (Verkürzungsfaktor) Marco Zahner mzahner@ethz.ch
5 Wellenimpedanz: Wieso 50 Ω? Bei gegebenem Durchmesser D einer Koaxleitung: Wellenimpedanz D : d Eigenschaften 30 Ohm 1.7 : 1 Höchste Leistungsübertragung möglich 60 Ohm 2.7 : 1 Höchste Durchbruchspannung 77 Ohm 3.6 : 1 Geringste Dämpfung pro Länge Was sich heute durchgesetzt hat: 50 Ohm für Funkgeräte, WLAN, Laborausrüstung etc. 75 Ohm für Video, TV, Kabelfernsehen Marco Zahner mzahner@ethz.ch
6 Wellenimpedanz: Anpassung und Reflexion Beim Übergang verschiedener Impedanzen wird ein Teil der Leistung reflektiert -> Last ist schlecht angepasst Signalgenerator 50 Ohm Z Leitung Z L z.b Antenne Beispiel: Z L Z Leitung Lastimpedanz Reflextion an einer 50 Ω Leitung Spannung Leistung 0 Ω (Kurzschluss) % 0 db 20 Ω % -7.4 db 40 Ω % -19 db 50 Ω 0 0 % -inf db 75 Ω % -14 db 100 Ω % -9.5 db Leerlauf % 0 db VSWR: Mass der Fehlanpassung VSWR = U hin + U zurueck U hin U zurueck VSWR = 1 Perfekt angepasst VSWR = Vollständige Reflexion Marco Zahner mzahner@ethz.ch
7 Wellenimpedanz: Anpassung Beim Übergang verschiedener Wellenimpedanzen wird ein Teil der Leistung reflektiert Signalgenerator 50 Ohm Z Leitung Z L Marco Zahner mzahner@ethz.ch
8 HF Leitungen und Wellenimpedanz Lecherleitung Ein kurzes Stück Leitung mit offenem oder kurzgeschlossenem Ende nennt man Lecher-Leitung. Typische Anwendung: λ/4 Leitung Notchfilter / Saugkreis «Stubs» Vorteile - Keine Bauteile (nur ein Leitungsstück) - Einfaches Abstimmen (Länge) - Auch für hohe und sehr hohe Frequenzen geeignet Marco Zahner mzahner@ethz.ch
9 HF Leitungen und Wellenimpedanz λ/4 Leitung als Filter λ/4 Leitung mit offenem Ende Eingangswiderstand Bei abweichender Frequenz Verhält sich wie niedrig Widerstand nimmt zu Serie-Schwingkreis λ/4 Leitung mit kurzgeschlossenem Ende Eingangswiderstand Bei abweichender Frequenz Verhält sich wie hoch Widerstand nimmt ab parallel-schwingkreis Marco Zahner
10 HF Leitungen und Wellenimpedanz λ/4 Leitung als Filter l = 1 4 c 0 f k 8 m s Hz 0.8 = cm Marco Zahner mzahner@ethz.ch
11 Antennen
12 Was ist eine Antenne? Antennen haben die Aufgabe, hochfrequente Wechselspannung in Form eines elektromagnetischen Feldes auszustrahlen bzw. umgekehrt. Sender P out P in Empfänger Kabel Strom und Spannung Elektromagnetische Welle Kabel Strom und Spannung Marco Zahner mzahner@ethz.ch
13 Was ist eine Antenne? Marco Zahner
14 Der Dipol Halbwellendipol: Länge = λ/2 (in der Realität geringfügig kürzer) λ=c 0 /f Eigenschaften Referenzantenne Sehr einfach aufgebaut Länge abhängig von der Betriebsfrequenz f Marco Zahner mzahner@ethz.ch
15 Der Dipol Strom- und Spannungsverteilung im Halbwellendipol: λ/2 Marco Zahner
16 Der Dipol Spannungsverteilung bei anderen Frequenzen Ein Dipol kann auch auf anderen Frequenzen in Resonanz betrieben werden. Ein (in der Mitte gespiesener) Dipol hat auch eine Resonanz bei ungeraden Vielfachen seiner Grundfrequenz Die Abstrahlcharakteristik ist jedoch unterschiedlich f 0 (l = λ/2) 3f 0 (l = 3λ/2) 5f 0 (l = 5λ/2) Marco Zahner mzahner@ethz.ch
17 Die Monopolantenne (λ/4-antenne) Ein Arm des Dipols kann durch eine leitfähige Fläche ersetzt werden Die Resonanzfrequenz ist bei gleicher Länge halb so hoch wie beim Dipol Die Monopolantenne ist auch bei ganzzahligen Vielfachen (1,2,3, ) seiner Grundfrequenz resonant. Marco Zahner mzahner@ethz.ch
18 Die Monopolantenne (λ/4-antenne) Ein Arm des Dipols kann durch eine leitfähige Fläche ersetzt werden Die Resonanzfrequenz ist bei gleicher Länge halb so hoch wie beim Dipol Die Monopolantenne hat auch eine Resonanz bei ganzzahligen Vielfachen (1,2,3, ) seiner Grundfrequenz Marco Zahner mzahner@ethz.ch
19 Das Richtdiagramm Eine Antenne sendet nicht gleich stark in alle Richtungen Beispiel: Dipol Marco Zahner
20 Das Richtdiagramm Eine Antenne sendet nicht gleich stark in alle Richtungen Beispiel: Dipol Von oben Von der Seite Marco Zahner
21 Gerichtete und omnidirektionale Antennen Marco Zahner
22 Gerichtete und omnidirektionale Antennen Richtantennen Yagi-Uda Helixantenne Hornantenne Omnidirektionale / isotrope Antennen Dipolantenne Inverted F Antenne (auf PCB) Cloverleaf Antenne Marco Zahner mzahner@ethz.ch
23 Antennengewinn Richtantennen: In Hauptabstrahlrichtung sieht eine Richtantenne wie eine mit höherer Leistung betriebene Dipolantenne aus. -> Gewinn! Der Gewinn bezeichnet das Verhältnis der abgestrahlten Leistungsdichte in Hauptstrahlrichtung gegenüber einer Dipolantenne bei gleicher Eingangsleistung. Gewinn nimmt zu, wenn mehrere Antennen zusammengeschaltet werden (Array) Dipol vs. Richtantenne Hauptstrahlrichtung Beispiele: Dipolantenne TV Dachantenne TV Parabolantenne Arecibo Radioteleskop 0 dbd 8-12 dbd dbd >70 dbd Marco Zahner mzahner@ethz.ch
24 Antennengewinn: ERP = Effective Radiated Power Richtantennen: In Hauptabstrahlrichtung sieht eine Richtantenne wie eine mit höherer Leistung betriebene Dipolantenne aus. -> Gewinn! Der Gewinn bezeichnet das Verhältnis der abgestrahlten Leistungsdichte in Hauptstrahlrichtung gegenüber einer Dipolantenne bei gleicher Eingangsleistung. ERP = Sendeleistung Antennengewinn Marco Zahner mzahner@ethz.ch
25 Antennengewinn: ERP = Effective Radiated Power 10 W = W Marco Zahner mzahner@ethz.ch
26 Fragen? Marco Zahner
27 Antenne: Impedanz Bei einer gegebenen Frequenz sieht eine Antenne wie eine aus R, L und C zusammengesetzte Last (Impedanz) aus. ~ R loss R rad X ant R loss R rad X ant Verlustwiderstand Strahlungswiderstand Reaktanz (kapazitiv oder induktiv) Antenne Z in Eingangsimpedanz Last, die das Funkgerät sieht Z in Verlustwiderstand: Die darin umgesetzte Leistung geht in Wärme verloren. Unerwünscht Strahlungswiderstand: Erwünschter Leistungs- Verlust. Dieser Anteil wird als EM Welle abgestrahlt Marco Zahner mzahner@ethz.ch
Leitungen & Antennen
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