Antennen
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Übersicht<br />
• <strong>Antennen</strong> aus der Sicht der Speisung<br />
• <strong>Antennen</strong> aus der Sicht des Fernfeldes<br />
• Richtdiagramm und Strahldichte<br />
• Wirkungsgrad, Richtfaktor, Gewinn,<br />
effektive Sendeleistung (ERP)<br />
• Ersatzschaltung einer Antenne,<br />
Strahlungswiderstand<br />
• Hertz'scher Dipol<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
<strong>Antennen</strong><br />
Es geht darum, elektromagnetische Energie in den freien Raum<br />
zu bringen bzw. von dort einzufangen.<br />
Leitung<br />
Strahlungsfeld<br />
Sender/Empfänger<br />
(Elektronik)<br />
Antenne<br />
Zwei Tore<br />
("ports")<br />
• Gegen Zuleitung<br />
• GegenfreienRaum<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
1
Beschreibung des <strong>Antennen</strong>eingangs<br />
Hinlaufende Welle<br />
Anpassglied<br />
"matching network"<br />
Antenne<br />
Rücklaufende Welle<br />
Impedanz<br />
bzw. Reflexionsfaktor<br />
Referenz!!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Beschreibung des Fernfeldes<br />
Antenne<br />
1. lokal wie radial laufende Ebene Welle<br />
nur für<br />
2.<br />
Stärke<br />
der Strahlung<br />
Polarisation<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
2
Beschreibung des Fernfeldes<br />
Seitenkeulen<br />
"side lobes"<br />
Hauptkeule<br />
"main lobe"<br />
Antenne<br />
Strahlungsdiagramm<br />
Richtdiagramm<br />
<strong>Antennen</strong>diagramm<br />
Richtcharakteristik<br />
Strahlungscharakteristik<br />
Empfangscharakteristik<br />
"radiation pattern"<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Beispiel ("double rigded horn antenna")<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
3
Weiteres zum Richtdiagramm<br />
• Enthält (meist) keine Information zur Polarisation<br />
• 3D-Darstellung gibt nur qualitativen Eindruck<br />
• Darstellung in einzelnen Ebenen:<br />
90<br />
180<br />
0<br />
auch kartesische Darstellung!<br />
5 dB/div<br />
-90<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
0<br />
kartesische Darstellung<br />
0<br />
0<br />
Messung<br />
FVTD<br />
E-Ebene<br />
-10<br />
dB<br />
-20<br />
-30<br />
-10<br />
0dB<br />
-20<br />
-30<br />
-10<br />
dB<br />
-20<br />
-30<br />
-10<br />
dB<br />
-20<br />
-30<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
0<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
0<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
0<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
0<br />
H-Ebene<br />
-10<br />
dB<br />
-20<br />
-30<br />
-10<br />
-20<br />
-30<br />
-10<br />
dB<br />
-20<br />
-30<br />
-10<br />
dB<br />
-20<br />
-30<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
-90 -60 -30 0 30 60 90<br />
Angle θ (degree)<br />
2 GHz 4 GHz 8 GHz 16 GHz<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
4
Weiteres zum Richtdiagramm<br />
Normalerweise bezogen auf<br />
90<br />
Manchmal auch auf Strahldichte<br />
180<br />
0<br />
5 dB/div<br />
Achtung:<br />
Nicht Poynting-Vektor!<br />
-90<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Weiteres zum Richtdiagramm<br />
• (x-dB-)Keulenbreite ("beam width")<br />
90<br />
gegeben in Grad (2D)<br />
oder Steradiant (3D)<br />
180<br />
0<br />
5 dB/div<br />
-90<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
5
Strahlungsleistung und Wirkungsgrad<br />
Anpassglied<br />
"matching network"<br />
Antenne<br />
<strong>Antennen</strong>wirkungsgrad<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Richtfaktor D ("directivity")<br />
Richtdiagramm eines isotropen<br />
Strahlers gleicher Leistung:<br />
90<br />
Richtfaktor:<br />
180<br />
0<br />
5 dB/div<br />
-90<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
6
<strong>Antennen</strong>-Gewinn G ("gain")<br />
90<br />
<strong>Antennen</strong>-Gewinn:<br />
180<br />
0<br />
5 dB/div<br />
-90<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
<strong>Antennen</strong>-Gewinn: Beispiel 1<br />
Horn mit Spiegel: gemäss Hersteller G = 42 dB<br />
gemessen: G = 32 dB<br />
Nur 10% der erwarteten Leistung<br />
im Bereich der Hauptkeule!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
7
<strong>Antennen</strong>-Gewinn: Beispiel 2<br />
Undercover-Antenne: Bestehendes System G = – 26 dB<br />
(Draht-Dipol, fast auf der Haut)<br />
Prototyp: G = – 12 dB<br />
Ideale Antenne hätte<br />
G = 0 dB wegen<br />
Rundstrahlcharakteristik!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Effektive Sendeleistung<br />
("effective radiated power", ERP)<br />
Welche Leistung wäre nötig, wenn die tatsächliche<br />
Antenne ein Kugelstrahler wäre, der so stark strahlen<br />
würde wie die gegebene Antenne in Hauptstrahlrichtung?<br />
90<br />
Juristenfutter bei NISV*<br />
180<br />
0<br />
5 dB/div<br />
-90<br />
Felder & Komponenten II<br />
*Verordnung über die Nicht ionisierende Strahlung<br />
G = 20dB → 10 W reale Leistung ergeben 1 kW ERP<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
8
Ersatzschaltung einer Antenne<br />
1. Ideale Antenne: Strahlungswiderstand<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Ersatzschaltung einer Antenne<br />
2. Reale Antenne:<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
9
Ersatzschaltung einer Antenne<br />
2. Reale Antenne:<br />
kompliziertere Ersatzschaltungen<br />
sind möglich!<br />
(z.B. um grösseren Frequenzbereich<br />
abzudecken)<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Antenne beim Empfangen<br />
Wie beim<br />
Senden!<br />
Reziprozität<br />
Empfangscharakteristik<br />
=<br />
Sendecharakteristik<br />
Quelle<br />
Gewinn G<br />
Richtfaktor D<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
10
Drahtlose Übertragungsstrecke<br />
return<br />
loss<br />
antenna<br />
loss<br />
transmission<br />
loss<br />
polarisation<br />
loss<br />
alignment<br />
loss<br />
antenna<br />
loss<br />
Leistungsanpassung wo immer möglich!!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol<br />
Siehe auch im Buch, Abschnitt 12.1.4<br />
Berechnung des Feldes<br />
explizit und analytisch<br />
möglich!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
11
(Kapitel 6, Fuk I)<br />
Bild aus:<br />
Pascal Leuchtmann:<br />
"Einführung in die<br />
elektromagnetische Feldtheorie",<br />
Pearson, 2005.<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol<br />
1. Berechnung des Vektorpotentials<br />
für alle "fernen" Punkte<br />
2. Berechnung der Felder aus<br />
3. Diskussion des Feldverlaufs<br />
4. Berechnung der <strong>Antennen</strong>parameter<br />
(soweit sinnvoll)<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
12
Hertz'scher Dipol: Vektorpotential<br />
(7.34)<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol: Felder aus<br />
Lorentz-Eichung (6.103)<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
13
Hertz'scher Dipol: Felder aus<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol: Felder aus<br />
weitere Komponenten verschwinden!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
14
Hertz'scher Dipol: Feldverlauf<br />
Dipolmoment<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol: Nahfeld<br />
Elektrisches<br />
Feld<br />
dominiert!<br />
90º phasenverschoben<br />
"keine" radiale Leistung im Mittel?!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
15
Hertz'scher Dipol: Fernfeld<br />
Ebene Welle in<br />
radialer Richtung!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol: Strahldichte<br />
Nur für<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
16
Hertz'scher Dipol: Strahlungsdiagramm<br />
z<br />
<br />
<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol: Abgestrahlte Leistung<br />
Abgestrahlte Leistung<br />
Richtfaktor ("directivity")<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
17
Hertz'scher Dipol: Strahlungswiderstand<br />
Sehr viel kleiner als<br />
die Wellenimpedanz<br />
des Raumes!<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
Hertz'scher Dipol<br />
E-Feld: Pfeile<br />
H-Feld: Dreiecke<br />
Felder & Komponenten II<br />
Copyright: Pascal Leuchtmann<br />
18
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