Skip to main content
main-content

2022 | Buch

Antennen und Strahlungsfelder

Elektromagnetische Wellen auf Leitungen, im Freiraum und ihre Abstrahlung

share
TEILEN
insite
SUCHEN

Über dieses Buch

Dieses bewährte Lehrbuch und Nachschlagewerk – seit Jahren 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 211 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 vorherige Auflage wurde umfangreich überarbeitet, womit in der neuen 9. Auflage nun drei weitere Kapitel mit 108 zusätzlichen Seiten hinzugekommen sind. Dabei wurde für die Yagi-Uda-Antenne ein völlig neuartiger Designprozess entwickelt, der einen einfachen Nachbau bei allen Frequenzen ermöglicht. Außerdem hat die Totalreflexion an dielektrischen Oberflächen mit Anwendungen bei Lichtwellenleitern und Prismen mehr Raum erhalten und bei den Gruppenantennen wird die Dolph-Tschebyscheff-Belegung wesentlich ausführlicher behandelt. Schließlich ist noch ein neuer Anhang mit farbigen Bildtafeln hinzugekommen, auf denen typische Antennenformen gezeigt werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
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
Kapitel 2. Mathematische Grundlagen
Zusammenfassung
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
Kapitel 3. Grundlagen der Elektrodynamik
Zusammenfassung
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 [Joos89].
Klaus W. Kark
Kapitel 4. Ebene Wellen
Zusammenfassung
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
Kapitel 5. Reflexion und Brechung I (Grundlagen)
Zusammenfassung
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.
Klaus W. Kark
Kapitel 6. Reflexion und Brechung II (Anwendungen)
Zusammenfassung
In Kapitel 5 hatten wir uns zunächst mit der Polarisation elektromagnetischer Wellen beschäftigt. Danach haben wir Reflexions- und Transmissionseffekte bei senkrechtem Einfall auf eine ebene Trennfläche zwischen zwei homogenen Halbräumen betrachtet, um schließlich auch den schrägen Einfall mit Hilfe des Snelliusschen Brechungsgesetzes und der Fresnelschen Formeln zu beschreiben. Im Kapitel 6 geht es uns nun darum, praktische Anwendungen zu untersuchen und wichtige Schlussfolgerungen aus den grundlegenden Gesetzmäßigkeiten zu ziehen.
Klaus W. Kark
Kapitel 7. TEM-Wellen auf Leitungen
Zusammenfassung
Nachdem wir zunächst die grundlegenden Eigenschaften elektromagnetischer Wellen untersucht hatten, haben wir uns dann in den Kapiteln 4, 5 und 6 mit der Ausbreitung von ebenenWellen im freien Raum beschäftigt. Solche TEM-Wellen besitzen nur transversale Feldkomponenten, während ihre Längsfelder verschwinden (Ez=Hz=0) Vergleichbare TEM-Wellen treten als einfachste Wellenform auch in verlustlosen homogenen Zweileitersystemen auf (Bild 7.1) und sind auch für Gleichstromanwendungen bei der Frequenz f= 0 Hz geeignet.
Klaus W. Kark
Kapitel 8. Wellenleiter
Zusammenfassung
Allgemein lassen sich Wellenleiter wie in Bild 8.1 in Zweileitersysteme und Einleitersysteme unterteilen. Zu den Zweileitersystemen [Heu05], die zur Übertragung für Frequenzen ab f = 0 Hz geeignet sind, gehören Paralleldrahtleitungen (a), koaxiale Leitungen (b) und Streifenleitungen (c). Alle Hohlleiter (d-g) kommen dagegen mit nur einem Leiter aus.
Klaus W. Kark
Kapitel 9. Dispersion in Hohlleitern
Zusammenfassung
Falls in einem Ausbreitungsmedium oder auf einer Leitung die Phasen- und die Gruppengeschwindigkeit.
Klaus W. Kark
Kapitel 10. Grundbegriffe der Antennentechnik
Zusammenfassung
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
Kapitel 11. Relativistische Elektrodynamik I (Grundlagen)
Zusammenfassung
Als Ergänzung zur Elektrodynamik (Kapitel 3) und in Vorbereitung elektromagnetischer Strahlungsfelder (Kapitel 14) wollen wir – ausgehend vom Coulombfeld der Elektrostatik – zunächst gleichförmig bewegte und später in Kapitel 12 auch beschleunigte Ladungsträger betrachten.
Klaus W. Kark
Kapitel 12. Relativistische Elektrodynamik II (Strahlung)
Zusammenfassung
Nach dem wir in Kapitel 11 zunächst den Sonderfall der gleichförmig geradlinigen Bewegung von Ladungsträgern untersucht haben, wollen wir nun den allgemeinen Fall der beschleunigten Bewegung von Ladungsträgern im Vakuum betrachten.
Klaus W. Kark
Kapitel 13. Relativistische Elektrodynamik III (Radartechnik)
Zusammenfassung
Seit der Anmeldung des Patents „Verfahren, um entfernte metallische Gegenstände mittels elektrischer Wellen einem Beobachter zu melden“ durch Christian Hülsmeyer im Jahre 1904 wurde die Radartechnik zunächst im Bereich der Schiffs- und Flugzeugortung eingesetzt. Wesentliche Voraussetzung für den damaligen Erfolg war der Einsatz leistungsstarker und kompakter Sender (Klystron, Magnetron) im GHz-Bereich. Heute findet die Radartechnik Anwendung in der Kontrolle und Sicherung des Flug-, Wasser- und Landverkehrs, in der Meteorologie zur Überwachung und Prognose des Wetters, in der Raumfahrt und Astronomie sowie auch für viele militärische Zwecke.
Klaus W. Kark
Kapitel 14. Grundbegriffe von Strahlungsfeldern
Zusammenfassung
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 in Tabelle 14.1 eine Auswahl analytisch exakter und genäherter Verfahren zur Berechnung elektromagnetischer Felder zusammengestellt (siehe z. B. [Stra93]).
Klaus W. Kark
Kapitel 15. 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 in Kapitel 10 besprochen. Nun wollen wir eine exakte Darstellung aller Feldkomponenten herleiten, die auch im Nahfeld gültig ist.

Klaus W. Kark
Kapitel 16. Lineare Antennen
Zusammenfassung
Wenn eine Antenne effektiv abstrahlen soll, dann muss sie gut an die Quellenimpedanz angepasst betrieben werden und ihre Länge muss in der Größenordnung von λ0/2 liegen. Praktische Antennen für größere Wellenlängen λ0/100 m (im Bereich der Mittel- und Langwellen) sind daher notwendigerweise von einfacher Form. Meist kommen dann lange gerade Drähte mit dünnem Querschnitt zur Anwendung.
Klaus W. Kark
Kapitel 17. Gruppenantennen I (Grundlagen)
Zusammenfassung
Der einzelne Monopol und auch der Dipol sind beides 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
Kapitel 18. Gruppenantennen II (Anwendungen)
Zusammenfassung
Nachdem wir in Kapitel 17 die Grundlagen von Gruppenantennen behandelt haben, wollen wir hier das Gebiet anhand spezieller Anwendungen weiter vertiefen.
Klaus W. Kark
Kapitel 19. Gruppenantennen III (Yagi-Uda-Antennen)
Zusammenfassung
Yagi-Uda-Antennen werden als Richtantennen meist bei Frequenzen von 10 MHz bis 2 GHz verwendet. Neben ihrem Einsatz beim terrestrischen Fernsehrundfunk sind sie auch im Bereich des VHF- und UHF-Amateurfunks sehr beliebt, da man sie aus einzelnen Dipoldrähten einfach aufbauen kann. In der Literatur [Viez76, Rot01, Bal05, ARRL07, Stu13] findet man eine große Anzahl funktionsfähiger Entwürfe, die für einen gewünschten Gewinn in einem bestimmten Frequenzbereich optimiert wurden.
Klaus W. Kark
Kapitel 20. 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.

Klaus W. Kark
Kapitel 21. Aperturstrahler I (Hohlleiterantennen)
Zusammenfassung
Die bisher behandelten Antennen bestanden aus linearen Leitern. Bei der Berechnung ihrer Strahlungsfelder sind wir in folgenden Schritten vorgegangen.
Klaus W. Kark
Kapitel 22. Aperturstrahler II (Hornantennen)
Zusammenfassung
Nach Bild 21.2 wirkt bei Aperturweiten k0 D > 2 das offene Ende eines Wellenleiters nicht mehr wie ein idealer Leerlauf mit einem Reflexionsfaktor von r = 1 , sondern es wird ein Teil der ankommenden Leistung abgestrahlt.
Klaus W. Kark
Kapitel 23. Aperturstrahler III (Linsenantennen)
Zusammenfassung
Dielektrische Linsen kompensieren die Laufzeitunterschiede in der Belegung der ebenen Apertur eines Hornstrahlers dadurch, dass sie die achsennahe Strahlung gegenüber den Randstrahlen verzögern. Eine solche konvexe Verzögerungslinse ist in Bild 23.1 dargestellt.
Klaus W. Kark
Kapitel 24. Aperturstrahler IV (Reflektorantennen)
Zusammenfassung
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
Kapitel 25. Schwarzer Strahler
Zusammenfassung
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 warden.
Klaus W. Kark
Kapitel 26. Thermisches Rauschen
Zusammenfassung
Der Begriff des Rauschens stammt eigentlich aus der Hörakustik und wird heute gleichbedeutend für Störungen jedweder Art verwendet, die sich einem Nutzsignal überlagern. Im Gegensatz zu den störenden Auswirkungen des Rauschens in der Nachrichten-Übertragungstechnik können Rauschsignale bei der Erderkundung oder in der Radioastronomie auch nützliche Informationen enthalten, wodurch Rückschlüsse auf die Natur der Rauschquelle möglich werden.
Klaus W. Kark
Kapitel 27. Streifenleitungsantennen
Zusammenfassung
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.
Klaus W. Kark
Kapitel 28. Spezielle Antennenformen
Zusammenfassung
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 (Kapitel 21+22), ist das bei einem Schlitzstrahler nur in einer Dimension der Fall (Bild 28.1)
Klaus W. Kark
Backmatter
Metadaten
Titel
Antennen und Strahlungsfelder
verfasst von
Klaus W. Kark
Copyright-Jahr
2022
Electronic ISBN
978-3-658-38595-8
Print ISBN
978-3-658-38594-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-38595-8