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Über dieses Buch

Dieses bewährte Lehrbuch und Nachschlagewerk – eines der besten Grundlagenbücher zum Thema überhaupt – gibt eine systematische Einführung in die Abstrahlung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Die Technik der Antennen mit ihren Speiseleitungen wird von den feldtheoretischen Grundlagen bis zu praktischen Designvorschlägen mit einfach anwendbaren Kochrezepten, Faustformeln und 172 Übungsaufgaben verständlich dargestellt. Neben den grundlegenden mathematischen Methoden wird großer Wert auf die physikalische Interpretation und Visualisierung der erhaltenen Ergebnisse mittels Computersimulationen gelegt. Das Buch ist für Studierende neben der Vorlesung und auch als Nachschlagewerk für Praktiker und Anwender konzipiert.
Die neue 7. Auflage wurde umfangreich überarbeitet und um 64 neue Seiten erweitert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

In der Hochfrequenztechnik werden elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen etwa 30 kHz und 300 GHz eingesetzt. Dieser Bereich erstreckt sich in Bild 1.1 über sieben Zehnerpotenzen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum des freien Raums ist eine Naturkonstante und für alle Frequenzen gleich.
Klaus W. Kark

2. Mathematische Grundlagen

Ein Vektor ist eine gerichtete Größe (z. B. Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft, elektrische und magnetische Feldstärke usw.). Im Gegensatz dazu wird jede durch eine Zahlenangabe bestimmte Größe als Skalar bezeichnet (z. B. Temperatur, Arbeit, elektrische Spannung usw.).
Klaus W. Kark

3. Grundlagen der Elektrodynamik

Wie in allen Teilbereichen der Physik muss auch in der Elektrodynamik der Energieerhaltungssatz als fundamentales Naturprinzip stets erfüllt sein. Jede Theorie elektromagnetischer Felder muss daher mit dem Prinzip der Energieerhaltung verträglich sein. Man kann darum die Maxwellschen Feldgleichungen – wie wir in diesem Abschnitt zeigen werden – aus dem Energieerhaltungssatz tatsächlich ableiten.
Klaus W. Kark

4. Ebene Wellen

Durch die beschleunigte Bewegung von Ladungsträgern können elektromagnetische Wellen erzeugt werden, die sich von ihren Quellen ablösen und sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Felder einer solchen Welle sind einerseits mathematische Hilfsgrößen zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen, andererseits transportieren sie Energie und Impuls und haben dadurch eine eigenständige physikalische Realität.
Klaus W. Kark

5. Ausbreitungseffekte

In Kapitel 4 haben wir uns mit der Ausbreitung ebener elektromagnetischer Wellen in homogenen, unendlich ausgedehnten Gebieten befasst. Das idealisierte Modell des freien Raumes ist eine gute Näherung der realen Ausbreitungssituation, wie sie bei Systemen der Funktechnik tatsächlich vorliegt. Für technische Anwendungen ist es nämlich ausreichend, den Raum als abschnittsweise homogen zu betrachten. Vorhandene Materialgrenzen müssen dann durch die Erfüllung der Stetigkeit der Felder berücksichtigt werden. Da im Allgemeinen die Reflexion und die Transmission an Grenzflächen von der jeweiligen Polarisation der einfallenden Welle abhängen, wollen wir zunächst den Polarisationsbegriff genauer untersuchen.
Klaus W. Kark

6. TEM-Wellen auf Leitungen

Nachdem wir zunächst die grundlegenden Eigenschaften elektromagnetischer Wellen untersucht hatten, haben wir uns dann in den Kapiteln 4 und 5 mit der Ausbreitung von ebenen Wellen im freien Raum beschäftigt. Solche TEM-Wellen besitzen nur transversale Feldkomponenten, während ihre Längsfelder verschwinden. Vergleichbare TEM-Wellen treten als einfachste Wellenform auch in verlustlosen homogenen Zweileitersystemen auf.
Klaus W. Kark

7. Wellenleiter

Allgemein lassen sich Wellenleiter in Zweileitersysteme und Einleitersysteme unterteilen. Hohlleiter stellen Einleitersysteme dar, die aus einem zylindrischen Metallrohr gleichbleibenden Querschnitts bestehen. Dabei sind mehrere unterschiedliche Querschnittsformen in Gebrauch. Eine Wellenausbreitung in Hohlleitern ist erst oberhalb einer unteren Frequenzgrenze möglich, die man als Grenzfrequenz, kritische Frequenz oder Cutoff-Frequenz bezeichnet. Die Hohlleitung hat demnach die Übertragungseigenschaften eines Hochpasses.
Klaus W. Kark

8. Dispersion in Hohlleitern

Falls in einem Ausbreitungsmedium oder auf einer Leitung die Phasen- und die Gruppengeschwindigkeit von der Frequenz abhängen, breiten sich die verschiedenen Harmonischen des Signalspektrums unterschiedlich schnell aus. Dieser Effekt wird als Dispersion bezeichnet und führt bei der Übertragung breitbandiger Signale zu linearen Verzerrungen. Während der Ausbreitung im Nachrichtenkanal zerfließt der Eingangsimpuls, was zu Überlappungen mit seinen Nachbarimpulsen führt. Um Bitfehler zu vermeiden, müssen dann Bandbreite und Bitrate reduziert werden.
Klaus W. Kark

9. Grundbegriffe der Antennentechnik

Bevor wir uns mit grundlegenden Eigenschaften von Antennen und deren anschaulicher Beschreibung durch Kenngrößen wie Richtdiagramm, Strahlungsleistung, Gewinn, Wirkfläche und Polarisation befassen, wollen wir zunächst die zwei einfachsten Antennengrundformen betrachten. An deren Beispiel werden wir die wichtigsten Antennenparameter besprechen.
Klaus W. Kark

10. Relativistische Elektrodynamik

Als Ergänzung zur Elektrodynamik und in Vorbereitung elektromagnetischer Strahlungsfelder wollen wir uns im Folgenden – ausgehend vom Coulombfeld der Elektrostatik – mit gleichförmig bewegten und beschleunigten Ladungsträgern befassen.
Klaus W. Kark

11. Grundbegriffe von Strahlungsfeldern

Die strenge Behandlung von Antennenproblemen ist nur in wenigen Ausnahmefällen durchführbar, denen praktisch nur eingeschränkte Bedeutung zukommt. Ansonsten ist man auf Näherungsverfahren angewiesen, die von Fall zu Fall verschieden sind und sich einer einheitlichen systematischen Behandlung entziehen. Aus einer großen Vielzahl von gebräuchlichen Methoden wird eine Auswahl analytisch exakter und genäherter Verfahren zur Berechnung elektromagnetischer Felder zusammengestellt.
Klaus W. Kark

12. Elementardipole und Rahmenantennen

Die einfachste Strahlungsquelle – sozusagen die Urform aller Antennen – ist ein infinitesimal kurzes Stromelement. Dieser fiktive Strahler wird Hertzscher Dipol genannt. Seine Fernfeldstrahlungseigenschaften haben wir bereits besprochen. Nun wollen wir eine exakte Darstellung aller Feldkomponenten herleiten, die auch im Nahfeld gültig ist.
Klaus W. Kark

13. Lineare Antennen

Wenn eine Antenne effektiv abstrahlen soll, dann muss sie gut an die Quellenimpedanz angepasst betrieben werden und ihre Länge muss in der Größenordnung der halben Wellenlänge liegen. Praktische Antennen für größere Wellenlängen im Bereich der Mittel- und Langwellen sind daher notwendigerweise von einfacher Form. Meist kommen dann lange gerade Drähte mit dünnem Querschnitt zur Anwendung. So ist die Linearantenne eine der gebräuchlichsten und ältesten Strahlerformen. Sie besteht in ihrer einfachsten Form aus einem geraden zylindrischen Leiter, an einer bestimmten Stelle meistens symmetrisch in der Mitte oder am Fußpunkt gegen Erde erregt wird.
Klaus W. Kark

14. Gruppenantennen

Der einzelne Monopol oder Dipol ist ein Rundstrahler, da die Strahlung in der Ebene senkrecht zur Antennenachse keine bevorzugte Richtung aufweist. Die Strahlungscharakteristik ist daher rotationssymmetrisch. Bei Punkt-zu-Punkt Verbindungen möchte man jedoch eine Richtwirkung erhalten, da sich hierdurch die Reichweite der Antenne bei unveränderter Energiezufuhr erheblich vergrößern lässt.
Klaus W. Kark

15. Breitbandantennen

In der Praxis bevorzugt man Antennen, deren elektrische Eigenschaften innerhalb eines gewissen Frequenzbandes konstant bleiben oder sich nur um ein geringes Maß verändern. Die notwendige Bandbreite ist durch das Fourier-Spektrum der zu übertragenden Signale vorgegeben. Insbesondere ist man an solchen Antennen interessiert, bei denen sowohl Richtcharakteristik und Gewinn als auch die Eingangsimpedanz breitbandiges Verhalten zeigen. Zusätzlich kann auch ein definiert festliegendes Phasenzentrum oder der Erhalt der Polarisation in einem gewünschten Frequenzbereich gefordert werden. Bei gleichzeitigem Betrieb einer Funkübertragungsstrecke auf mehreren Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex) ist zuweilen ein extrem breitbandiges Verhalten erforderlich, was die Entwicklung spezieller Breitbandantennen notwendig macht.
Klaus W. Kark

16. Aperturstrahler I (Hohlleiterantennen)

Die bisher behandelten Antennen bestanden aus linearen Leitern. Wir haben dort die Ströme auf den Leitern als die Quelle der Strahlung angesehen. Tatsächlich stellt sich die eigentliche Quelle der Strahlung nicht als der Leitungsdraht selbst heraus, sondern es ist vielmehr der Raumbereich in seiner lokalen Umgebung, den man als Apertur eines Wellenleiters betrachten kann.
Klaus W. Kark

17. Aperturstrahler II (Hornantennen)

Grundsätzlich kann das Strahlungsfeld von ebenen Aperturbelegungen gut vorhergesagt werden, solange die Apertur ausreichend groß ist. Bei gekrümmten Phasenfronten – wie sie in Hornstrahlern auftreten – ist die Phasenbelegung der Apertur nicht mehr uniform, sondern es stellt sich nach eine zum Hornrand anwachsende nacheilende Phase ein, was den Aufwand zur Berechnung des Strahlungsfeldes von Hornantennen spürbar erhöht.
Klaus W. Kark

18. Aperturstrahler III (Linsenantennen)

Dielektrische Linsen kompensieren die Laufzeitunterschiede in der Belegung der ebenen Apertur eines Hornstrahlers dadurch, dass sie die achsennahe Strahlung gegenüber den Randstrahlen verzögern.
Klaus W. Kark

19. Aperturstrahler IV (Reflektorantennen)

Neben der Verwendung von Linsenantennen gibt es noch eine weitere Möglichkeit, sphärische Phasenfronten in ebene Phasenfronten umzuwandeln. Dazu muss die Primärwelle eines Hornstrahlers an einem Parabolspiegel umgelenkt werden. Ein solcher Reflektor kann aus einer massiven Metallfläche oder aus einem Drahtgitter mit – im Vergleich zur Wellenlänge – kleinen Öffnungen bestehen.
Klaus W. Kark

20. Aperturstrahler V (Schwarzer Strahler)

Die Sonne gewinnt ihre Energie im Wesentlichen aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Dabei emittiert sie neben geladenen Teilchen des Sonnenwindes und Neutrinos ein sehr breitbandiges elektromagnetisches Spektrum, das in ihren äußeren Schichten – der Photosphäre – entsteht. Dieses kontinuierliche Spektrum kann – unter Vernachlässigung von Fraunhoferschen Absorptionslinien – näherungsweise als Strahlung eines kugelförmigen Schwarzen Körpers approximiert werden.
Klaus W. Kark

21. Streifenleitungsantennen

Antennen in Streifenleitungstechnik haben nur eine geringe Bauhöhe und werden dort eingesetzt, wo Größe, Gewicht und Kosten eine wesentliche Rolle spielen – z. B. in Anwendungen der Luft- und Raumfahrttechnik, in Mobiltelefonen oder in WLAN-Baugruppen. Einhergehend mit der Miniaturisierung von Mikrowellenschaltungen in Streifenleitungstechnik im Frequenzbereich von 100 MHz bis 100 GHz werden Antennen benötigt, die diesen Techniken angepasst sind. Durch die Möglichkeit eines einheitlichen Entwurfs der Mikrowellenschaltung, des Speisenetzwerkes und der Antenne auf einem gemeinsamen Substrat erhält man eine integrierte Einheit, die verschiedene Vorteile gegenüber klassischen Aufbauten aufweist.
Klaus W. Kark

22. Spezielle Antennenformen

Als Alternative zu metallischen Antennen, deren Strahlungsfeld aus der Stromverteilung auf ihrer Oberfläche bestimmt werden kann, können auch Öffnungen oder Schlitze in einer metallischen Wand als Strahlungsquelle wirken. Wie bei Flächenstrahlern üblich, kann das Strahlungsfeld – aufgrund des Huygensschen Prinzips – aus dem Aperturfeld der einfallenden Welle näherungsweise bestimmt werden. Während die Apertur eines am Ende offenen Hohlleiters oder Hornstrahlers in beiden Dimensionen in der Größenordnung der Wellenlänge liegt, ist das bei einem Schlitzstrahler nur in einer Dimension der Fall.
Klaus W. Kark

Backmatter

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