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Kennwerte von Antennen
Antennengewinn
Durch besondere Gestaltung der Antenne kann man die Strahlungsdichte in bestimmten Raumrichtungen konzentrieren. Ein Maß für die Richtfähigkeit einer verlustlosen Antenne bildet der „Antennengewinn”. Zu seiner Definition zieht man neben der eigentlichen Antenne eine Bezugsantenne heran. Meistens dient als Bezugsantenne ein fiktiver Kugelstrahler (isotroper Strahler), der in alle Richtungen gleichmäßig strahlt, oder ein einfacher Dipol, welcher zumindest in der betrachteten Ebene auch eine Referenz bilden kann.
Bild 1: Antennendiagramm in einer Polarkoordinatendarstellung
Bild 1: Antennendiagramm in einer Polarkoordinatendarstellung
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.
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!
Bild 2: Die Apertur ist ein Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche
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.
Bild 3: Die Apertur ist ein Ausschnitt aus einer Kugeloberfläche
Antennenfläche
Eine wichtige Kenngröße von Antennen wird effektive Antennenfläche Ae oder „Aperture” genannt. Es ist eine Fläche, die durch eine Antenne in einem elektromagnetischen Feld repräsentiert wird. Der Antennengewinn und die effektive Antennenfläche stehen in folgender mathematischer Beziehung zueinander:
| G = | 4π · Ae | ; Ae = Ka·A | Mit: | λ = Wellenlänge Ae = effektive Antennenfläche A = geometrische Antennenfläche Ka = Effektivität der Antennenfläche |
(1) |
| λ2 |
Die effektive Antennenfläche ist abhängig von der Strahlungsverteilung über die geometrische Antennenfläche. Ist diese Strahlungsverteilung linear, dann ist Ka= 1. Diese hohe Effizienz 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).
Bild 3: gleiches Antennendiagramm in einer Darstellung mit kartesischen Koordinaten
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.
