www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Kennwerte von Antennen

Öffnungswinkel (Strahlbreite)
Nebenkeulen-
dämpfung
Vor-/Rückverhältnis

Bild 1: Antennendiagramm in einer Polarkoordinatendarstellung

Diagramm mit dem Bezugspunkt in der Bildmitte und winkelrichtiger Darstellung der Messwerte. Die Größe eines Messwertes wird durch seinen Abstand vom Mittelpunkt der Grafik dargestellt. Hier als Beispiel ein Antennendiagramm einer Richtantenne.
Öffnungswinkel (Strahlbreite)
Nebenkeulen-
dämpfung
Vor-/Rückverhältnis

Bild 1: Antennendiagramm in einer Polarkoordinatendarstellung

Kennwerte von Antennen

Antennengewinn und Richtwirkung

Durch besondere Gestaltung der Antenne kann man die Strahlungsdichte in bestimmten Raumrichtungen konzentrieren. Ein Maß für die Richtfähigkeit einer verlustlosen Antenne bildet der „Antennengewinn”. Er ist eng mit der Richtwirkung der Antenne verknüpft. Im Gegensatz zur Richtwirkung, die nur Richteigenschaften der Antenne beschreibt, berücksichtigt der Antennengewinn auch den Wirkungsgrad der Antenne, er gibt also die tatsächlich abgestrahlte Leistung an. Diese ist meist kleiner als die vom Sender bereitgestellte Leistung. Da diese Leistung jedoch leichter gemessen werden kann, als die Richtwirkung wird der Antennengewinn häufiger verwendet, als die Richtwirkung. Unter der Annahme, dass eine verlustlose Antenne betrachtet wird, kann die Richtwirkung gleich dem Antennengewinn gesetzt werden.

Zur Definition des Antennengewinns zieht man neben der eigentlichen Antenne eine Bezugsantenne heran. Meistens dient als Bezugsantenne ein verlustloser hypothetischer Kugelstrahler (isotroper Strahler), der in alle Richtungen gleichmäßig strahlt, oder ein einfacher Dipol, welcher zumindest in der betrachteten Ebene auch eine Referenz bilden kann.

Für die eigentliche Antenne ermittelt man nun die Strahlungsdichte (Leistung pro Flächeneinheit) an einem Punkt in einer bestimmten Entfernung und vergleicht diese mit dem Wert, der sich bei Verwendung der isotropen Antenne ergibt. Der Antennengewinn ist dann das Verhältnis aus den beiden Strahlungsdichten.

Erzeugt eine Richtantenne beispielsweise in einer bestimmten Raumrichtung eine 200 mal so große Strahlungsdichte wie eine isotrope Antenne, so hat der Antennengewinn G den Wert 200 oder 23 dB.

Antennendiagramm

Je nach Anwendung soll eine Antenne nur aus einer bestimmten Richtung empfangen, die Signale aus anderen Richtungen jedoch nicht aufnehmen (z.B. Fernsehantenne, Radarantenne), andererseits soll z.B. die Autoantenne Sender aus allen möglichen Richtungen empfangen können.

Die gewünschte Richtcharakteristik erreicht man durch den gezielten mechanischen und elektrischen Aufbau einer Antenne. Eine Richtcharakteristik gibt an, wie gut eine Antenne in einer bestimmten Richtung empfängt bzw. sendet. Sie wird in einer grafischen Darstellung (Richtdiagramm, Antennendiagramm) als Funktion des Azimutwinkels (Horizontaldiagramm) und des Elevationswinkels (Vertikaldiagramm) angegeben.

Öffnungswinkel
Nebenkeulen-
dämpfung
Vor-/Rück-
verhältnis

Bild 2: gleiches Antennendiagramm in einer Darstellung mit kartesischen Koordinaten

Kartesisches Diagramm mit rechtwinklig zueinander stehenden Achsen als Bezug. Die Winkelwerte sind auf der X-Achse eingetragen, die Messwerte auf der Y-Achse. Hier als Beispiel auch das obige Antennendiagramm
Öffnungswinkel
Nebenkeulen-
dämpfung
Vor-/Rück-
verhältnis

Bild 2: gleiches Antennendiagramm in einer Darstellung mit kartesischen Koordinaten

Dabei wird entweder ein kartesisches oder ein Polar- Koordinatensystem verwendet. Die Messwerte in der grafischen Darstellung können lineare oder logarithmische Werte haben.

Bei der Betrachtung eines Antennendiagramms wird die folgende Vereinfachung getroffen:

Halbwertsbreite

Unter der Strahlbreite (Öffnungswinkel) versteht man den Winkelbereich des Antennendiagramms, in dem noch mindestens die Hälfte der maximalen Leistung abgestrahlt wird!

Grenzpunkte der Hauptkeule sind somit die Punkte, an denen die Feldstärke im Raum um 3 dB bezüglich der maximalen Feldstärke abgefallen ist. Der Winkel Θ wird dann als Öffnungswinkel oder „Halbwertsbreite” der Antenne bezeichnet.

Nebenkeulendämpfung

Außer der Hauptkeule findet man im Strahlungsdiagramm einer Antenne mehrere Nebenkeulen und eine Rückkeule. Diese Erscheinungen sind unerwünscht, da sie den Richteffekt ungünstig beeinflussen und zusätzlich der Hauptkeule Energie entziehen. Das Verhältnis zwischen Hauptkeule und größter Nebenkeule nennt man Nebenkeulendämpfung. Die Nebenkeulendämpfung sollte einen möglichst hohen Wert aufweisen.

Vor- /Rückverhältnis

Das Vor- /Rückverhältnis oder auch Rückdämpfung genannt, stellt das Verhältnis des Gewinns der Hauptkeule in 0° zum Gewinn der Rückkeule in 180° dar. Auch dieses Verhältnis sollte möglichst groß sein.

Bild 3: Die Apertur ist ein Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche

Die effektive Antennenfläche ist ein Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche, 
(click to enlarge: 600·400px = 14 kByte)

Bild 3: Die effektive Antennenfläche ist ein Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche

effektive Antennenfläche

Eine wichtige Kenngröße von Antennen wird effektive Antennenfläche Ae oder auf englisch „Antenna Aperture” genannt. Unter der Vorraussetzung optimaler Orientierung und Polarisation ist die maximal entnehmbare Empfangsleistung einer Empfangsantenne proportional zur Leistungsdichte der am Empfangsort einfallenden ebenen Welle. Die Strahlungsdichte der Wellenfront ist eine Leistung pro Flächeneinheit. Der Proportionalitätsfaktor hat demzufolge die Dimension einer Fläche, die durch eine Antenne in einem elektromagnetischen Feld repräsentiert wird. Diese Fläche wird effektive Antennenfläche Ae genannt und steht in engem Zusammenhang mit der Richtwirkung D der Antenne, die für eine verlustlose Antenne auch gleich dem Gewinn ist:

D = G·η = 4π · Ae ; Ae = Ka·A Mit: η = Antennenwirkungsgrad
λ = Wellenlänge
Ae = effektive Antennenfläche
A = geometrische Antennenfläche
Ka = Effektivität der Antennenfläche (Apertureffizienz)
(1)

λ2

Diese Gleichung zeigt einen ganz wichtige Zusammenhang: Die Richtcharakteristik einer Antenne wird durch deren Grösse bestimmt. Je grösser der Durchmesser im Verhältnis zur Wellenlänge ist, desto stärker ist ihre Richtwirkung.

Eine effektive Antennenfläche lässt sich auch für Linearantennen angeben. Sie muss nicht unbedingt mit der geometrischen Ausdehnung der Antenne übereinstimmen, welches besonders bei Drahtantennen augenscheinlich wird. Das Verhältnis aus beiden Größen wird Apertureffizienz der Antenne Ka genannt. Für Antennen mit großem Parabolreflektor gilt Ka = 0,6 … 1,0. Die effektive Antennenfläche eines rechteckigen Hornstrahlers mit den Abmessungen a und b ist etwas kleiner als die geometrische Fläche a·b.

Die effektive Antennenfläche ist abhängig von der Strahlungsverteilung über die geometrische Antennenfläche. Ist diese Strahlungsverteilung linear, dann ist Ka= 1. Diese hohe Apertureffizienz bei einer linearen Strahlungsverteilung hat aber auch stark ausgeprägte Nebenkeulen zur Folge. Wenn die Nebenkeulen auf eine für den praktischen Einsatz einer Antenne geringere Größe gehalten werden sollen, dann muss die Strahlungsverteilung nichtlinear sein und die effektive Antennenfläche ist dann kleiner als die geometrische Antennenfläche (Ae< A).

Antennenraumwinkel

Der Antennenraumwinkel (engl. “beam solid angle”) ist der Raumwinkel, durch den die gesamte Antennenleistung fliessen würde, falls die Strahlungsintensität für alle Winkel innerhalb dieses Raumwinkels konstant wäre. Es ist ein eher theoretischer Wert, der aber für Antennen mit sehr starker Richtwirkung und geringen Nebenkeulen angenähert werden kann mit:

ΩA ≈ Θaz·Θel mit: Θaz = horizontaler Öffnungswinkel
Θel = vertikaler Öffnungswinkel
(2)