Antennen. Übersicht. Zwei Tore ("ports") Gegen Zuleitung. GegenfreienRaum

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1 Übersicht Antennen aus der Sicht der Speisung Antennen aus der Sicht des Fernfeldes Richtdiagramm und Strahldichte Wirkungsgrad, Richtfaktor, Gewinn, effektive Sendeleistung (ERP) Ersatzschaltung einer Antenne, Strahlungswiderstand Hertz'scher Dipol Antennen Es geht darum, elektromagnetische Energie in den freien Raum zu bringen bzw. von dort einzufangen. Leitung Strahlungsfeld Sender/Empfänger (Elektronik) Antenne Zwei Tore ("ports") Gegen Zuleitung GegenfreienRaum 1

2 Beschreibung des Antenneneingangs Hinlaufende Welle Anpassglied "matching network" Antenne Rücklaufende Welle Impedanz bzw. Reflexionsfaktor Referenz!! Beschreibung des Fernfeldes Antenne 1. lokal wie radial laufende Ebene Welle nur für 2. Stärke der Strahlung Polarisation 2

3 Beschreibung des Fernfeldes Seitenkeulen "side lobes" Hauptkeule "main lobe" Antenne Strahlungsdiagramm Richtdiagramm Antennendiagramm Richtcharakteristik Strahlungscharakteristik Empfangscharakteristik "radiation pattern" Beispiel ("double rigded horn antenna") 3

4 Weiteres zum Richtdiagramm Enthält (meist) keine Information zur Polarisation 3D-Darstellung gibt nur qualitativen Eindruck Darstellung in einzelnen Ebenen: 9 18 auch kartesische Darstellung! 5 db/div -9 kartesische Darstellung Messung FVTD E-Ebene -1 db db db db Angle θ (degree) Angle θ (degree) Angle θ (degree) Angle θ (degree) H-Ebene -1 db db db Angle θ (degree) Angle θ (degree) Angle θ (degree) Angle θ (degree) 2 GHz 4 GHz 8 GHz 16 GHz 4

5 Weiteres zum Richtdiagramm Normalerweise bezogen auf 9 Manchmal auch auf Strahldichte 18 5 db/div Achtung: Nicht Poynting-Vektor! -9 Weiteres zum Richtdiagramm (x-db-)keulenbreite ("beam width") 9 gegeben in Grad (2D) oder Steradiant (3D) 18 5 db/div -9 5

6 Strahlungsleistung und Wirkungsgrad Anpassglied "matching network" Antenne Antennenwirkungsgrad Richtfaktor D ("directivity") Richtdiagramm eines isotropen Strahlers gleicher Leistung: 9 Richtfaktor: 18 5 db/div -9 6

7 Antennen-Gewinn G ("gain") 9 Antennen-Gewinn: 18 5 db/div -9 Antennen-Gewinn: Beispiel 1 Horn mit Spiegel: gemäss Hersteller G = 42 db gemessen: G = 32 db Nur 1% der erwarteten Leistung im Bereich der Hauptkeule! 7

8 Antennen-Gewinn: Beispiel 2 Undercover-Antenne: Bestehendes System G = 26 db (Draht-Dipol, fast auf der Haut) Prototyp: G = 12 db Ideale Antenne hätte G = db wegen Rundstrahlcharakteristik! Effektive Sendeleistung ("effective radiated power", ERP) Welche Leistung wäre nötig, wenn die tatsächliche Antenne ein Kugelstrahler wäre, der so stark strahlen würde wie die gegebene Antenne in Hauptstrahlrichtung? 9 Juristenfutter bei NISV* 18 5 db/div -9 *Verordnung über die Nicht ionisierende Strahlung G = 2dB 1 W reale Leistung ergeben 1 kw ERP 8

9 Ersatzschaltung einer Antenne 1. Ideale Antenne: Strahlungswiderstand Ersatzschaltung einer Antenne 2. Reale Antenne: 9

10 Ersatzschaltung einer Antenne 2. Reale Antenne: kompliziertere Ersatzschaltungen sind möglich! (z.b. um grösseren Frequenzbereich abzudecken) Antenne beim Empfangen Wie beim Senden! Reziprozität Empfangscharakteristik = Sendecharakteristik Quelle Gewinn G Richtfaktor D 1

11 Drahtlose Übertragungsstrecke return loss antenna loss transmission loss polarisation loss alignment loss antenna loss Leistungsanpassung wo immer möglich!! Hertz'scher Dipol Siehe auch im Buch, Abschnitt Berechnung des Feldes explizit und analytisch möglich! 11

12 (Kapitel 6, Fuk I) Bild aus: Pascal Leuchtmann: "Einführung in die elektromagnetische Feldtheorie", Pearson, 25. Hertz'scher Dipol 1. Berechnung des Vektorpotentials für alle "fernen" Punkte 2. Berechnung der Felder aus 3. Diskussion des Feldverlaufs 4. Berechnung der Antennenparameter (soweit sinnvoll) 12

13 Hertz'scher Dipol: Vektorpotential (7.34) Hertz'scher Dipol: Felder aus Lorentz-Eichung (6.13) 13

14 Hertz'scher Dipol: Felder aus Hertz'scher Dipol: Felder aus weitere Komponenten verschwinden! 14

15 Hertz'scher Dipol: Feldverlauf Dipolmoment Hertz'scher Dipol: Nahfeld Elektrisches Feld dominiert! 9º phasenverschoben "keine" radiale Leistung im Mittel?! 15

16 Hertz'scher Dipol: Fernfeld Ebene Welle in radialer Richtung! Hertz'scher Dipol: Strahldichte Nur für 16

17 Hertz'scher Dipol: Strahlungsdiagramm z Hertz'scher Dipol: Abgestrahlte Leistung Abgestrahlte Leistung Richtfaktor ("directivity") 17

18 Hertz'scher Dipol: Strahlungswiderstand Sehr viel kleiner als die Wellenimpedanz des Raumes! Hertz'scher Dipol E-Feld: Pfeile H-Feld: Dreiecke 18