Antennen und Strahlungsfelder

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 (E_z=H_z=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

Zusammenfassung

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

Zusammenfassung

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

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