Antennen und Strahlungsfelder

Frontmatter

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

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

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

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

5. Ausbreitungseffekte

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. 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

Zusammenfassung

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 (Ez = Hz = 0) . Vergleichbare TEM-Wellen treten als einfachste Wellenform auch in verlustlosen homogenen Zweileitersystemen auf (Bild 6.1) und sind auch für Gleichstromanwendungen bei der Frequenz f = 0 Hz geeignet.

Klaus W. Kark

7. Wellenleiter

Zusammenfassung

Allgemein lassen sich Wellenleiter wie in Bild 7.1 in Zweileitersysteme und Einleitersysteme unterteilen. Zu den Zweileitersystemen [Heu05], die zur Übertragung für Frequenzen ab f = 0 Hz geeignet sind, gehören symmetrische Paralleldrahtleitungen (a), koaxiale Leitungen (b) und Streifenleitungen (c). Alle Hohlleiter (d-g) kommen dagegen mit nur einem Leiter aus.

Klaus W. Kark

8. 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

9. 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 9.1 eine Auswahl analytisch exakter und genäherter Verfahren zur Berechnung elektromagnetischer Felder zusammengestellt (siehe z. B. [Stra93]).

Klaus W. Kark

10. 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 8 besprochen. Nun wollen wir eine exakte Darstellung aller Feldkomponenten herleiten, die auch im Nahfeld gültig ist.

Klaus W. Kark

11. Lineare Antennen

Zusammenfassung

So ist die Linearantenne eine der gebräuchlichsten und ältesten Strahlerformen. Sie besteht in ihrer einfachsten Form aus einem geraden zylindrischen Leiter, der – wie in Bild 11.1 – an einer bestimmten Stelle meistens symmetrisch in der Mitte (Dipol) oder am Fußpunkt gegen Erde (Monopol) erregt wird. Die Breite des Speisespaltes sei vernachlässigbar klein. Für l = 2h haben beide Anordnungen – im oberen Halbraum – das gleiche Strahlungsdiagramm, da die Erdoberfläche in einer Symmetrieebene des elektrischen Feldes liegt. Der Monopol gibt – bei gleichem Quellstrom I₀ – nur die halbe Strahlungsleistung ab und besitzt daher den doppelten Gewinn der vergleichbaren Dipolantenne.

Klaus W. Kark

12. Gruppenantennen

Zusammenfassung

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

13. 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. 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

14. Aperturstrahler I (Hohlleiterantennen)

Zusammenfassung

Die bisher behandelten Antennen bestanden aus linearen Leitern. Bei der Berechnung ihrer

Strahlungsfelder sind wir in folgenden Schritten vorgegangen:

- Berechnung der Stromverteilung auf den linearen Leitern,

- Betrachtung der berechneten Stromverteilung als eingeprägte Quellen und

- Berechnung des Fernfeldes mittels Fourier-Transformation.

Klaus W. Kark

15. Aperturstrahler II (Hornantennen)

Zusammenfassung

Nach Bild 14.2 wirkt bei Aperturweiten k₀D>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

16. 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 16.1 dargestellt.

Klaus W. Kark

17. 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

18. Aperturstrahler V (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 werden.

Klaus W. Kark

19. 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. 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:

- hoher Miniaturisierungsgrad, Reproduzierbarkeit und automatisierte Massenfertigung

- mechanische Belastbarkeit durch Vibration und Stoß (dadurch hohe Zuverlässigkeit).

Demgegenüber haben planare Strukturen aber auch einige

Nachteile:

- geringer Wirkungsgrad durch Verluste im Substrat, wodurch Strahlungsleistung und Gewinn begrenzt werden und

- kleine relative Bandbreite (siehe Bild 19.13).

Für die Wellenausbreitung auf Mikrostreifenleitungen kann keine geschlossene Lösung angeben werden. Man benutzt deshalb empirische Näherungsformeln, die aus den statischen Feldern abgeleitet und für höhere Frequenzen verallgemeinert werden. Die Entwicklung einer Streifenleitungsantenne oder einer verkoppelten Gruppe aus Einzelelementen ist daher recht aufwändig.

Klaus W. Kark

20. 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 14+15), ist das bei einem Schlitzstrahler nur in einer Dimension der Fall (Bild 20.1).

Klaus W. Kark

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