Projektarbeit: Bau eines Halbwellendipols als GSM-Antenne für 1.8 GHz.

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1 Projektarbeit: Bau eines Halbwellendipols als GSM-Antenne für 1.8 GHz. Name: Mario Stieber Matr.Nr.:

2 1. Theorie der Antenne Ausarbeitung: Mario Stieber 1.1 Der Dipol Die elektromagnetischen Verhältnisse in der näheren Umgebung, dem Nahfeld der Antenne, sind kompliziert. Für die übertragungstechnischen Eigenschaften der Antenne interessiert aber fast ausschließlich ihr Verhalten im Fernfeld. Das Fernfeld ist dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Feldstärke, bezieht man sich auf die Hauptstrahlungsrichtung, unabhängig von der Entfernung zur Antenne gleich bleibt. Die elektrische Feldstärke E und die magnetische Feldstärke H stehen senkrecht aufeinander, schwingen phasengleich und sind über den Feldwellenwiderstand miteinander verknüpft. (Bild 2.) Die abgestrahlte elektromagnetische Welle transportiert im Fernfeld nur Wirkleistung und entfernt sich radial mit der Lichtgeschwindigkeit von der Antenne. Bild 1: Dipol Bild 2: Prinzipielles Feldbild des Dipols im Fernfeld

3 1.2 Abstrahlverhalten des Dipols Die in der ersten Schwingungsperiode erzeugten E- und B-Felder breiten sich im Raum aus, dann wechseln die Vorzeichen und die äußeren Feldbereiche schnüren und koppeln sich ab (Seifenblase!). Die Antenne strahlt elektromagnetische Wellen ab! Bild 3.: Abstrahlverhalten des Dipols

4 1.3 Richtcharakteristik und Richtdiagramm Vom technischen Interesse sind die Hauptstrahlungsrichtung (die Hauptkeule), die Richtung und die Stärke der Nebenstrahlung, die Stärke der der Strahlung in rückwärtiger Richtung und Richtungen in denen die Antenne nicht strahlt. Die Richtcharakteristik bzw. Strahlungscharakteristik beschreibt die Richtungsabhängigkeit der Amplitude, Phase und Polarisation der von der Antenne erzeugten Feldstärke. Betrachtet man lediglich eine oder mehrere Schnittebenen der Richtcharakteristik und stellt diese graphisch dar, erhält man das Richtdiagramm bzw. Strahlungsdiagramm. Schnitte durch die E-Ebene bzw. durch die H-Ebene werden speziell Vertikal- und Horizontaldiagramm genannt. Die Schnittebenen enthalten die Antenne selbst und die Hauptstrahlungsrichtung. Bild 4.: Vertikaldiagramm eines Halbwellendipols (a) Horizontaldiagramm eines Halbwellendipols (b)

5 1.4 Antennenkenngrößen Polarisation Die Polarisation gibt die Richtung des Vektors der elektrischen Feldstärke in der ausgestrahlten elektromagnetischen Welle an. Sind sie senkrecht zur Erdoberfläche gerichtet, spricht man speziell von vertikaler Polarisation; verlaufen sie horizontal zur Erdoberfläche, so liegt horizontale Polarisation vor. Ist die Richtung der elektrischen Feldkomponente nicht fixiert, sondern läuft kontinuierlich in Kreisform, dann spricht man von zirkularer Polarisation. Je nach Umlaufsinn unterscheidet man hier noch in rechtsdrehender und linksdrehender Polarisation Bündelung und Halbwertsbreite Kenngrößen für die Bündelung der Antenne sind die horizontalen und vertikalen Halbwertsbreiten der Hauptkeule. Die Halbwertsbreite gibt den Winkel zwischen den beiden Punkten der Hauptkeule an, bei denen die Strahlungsdichte auf die Hälfte des Maximalwerts abgesunken ist Der Richtfaktor D Gegenüber Rundstrahlantennen, welche in alle Raumrichtungen annähernd gleich stark strahlen, haben Richtantennen eine mehr oder minder stark ausgeprägte Vorzugsrichtung. Der Richtfaktor D ist das Verhältnis der Strahlungsleistungsdichte der Antenne in Hauptstrahlungsrichtung verglichen mit der Strahlungsleistungsdichte des isotropen Kugelstrahlers als Referenzantenne bei gleicher Strahlungsleistung Der Gewinn G Durch die Bündelung scheint die Antenne für einen Empfänger in der Hauptstrahlungsrichtung mit einer Gesamtleistung zu senden, die um einen Faktor größer ist als die wirklich von der Antenne abgestrahlte Leistung. Dieser Faktor wird als Gewinn bezeichnet. G = 10 lg D Die wirksame Antennenfläche Aw Die Wirksame Antennenfläche stellt diejenige Fläche dar, durch die bei einer senkrecht auftretenden ebenen Welle gerade die Strahlungsleistung tritt, die am Antennenausgang maximal bei Anpassung entnommen werden kann Die elektrische Länge einer Antenne Hiermit ist niemals die mechanische Länge einer Antenne gemeint, sondern die Länge der Antenne in Bezug auf die Wellenlänge