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Nahfeld / Fernfeld

Die Begriffe Nahfeld und Fernfeld beschreiben Bereiche um eine Quelle einer elektromagnetischen Welle, in unserem Fall also um eine Antenne herum. Im Nahfeld einer Antenne werden durch Entfernungs- bzw. Laufzeitunterschiede zwischen den unterschiedlichen Ortspunkten des Quellbereichs eine kohärente Summation der Signale verhindert.

Eine punktförmige Strahlungsquelle wie etwa der isotrope Kugelstrahler kann kein Nahfeld aufweisen. Ein Nahfeld ist erst dann vorhanden, wenn die geometrische Ausdehnung der Strahlungsquelle die Größenordnung der Wellenlänge erreicht oder darüber liegt. Innerhalb des Nahfeldes strahlt die Antenne nicht nur, sondern nimmt auch bereits abgestrahlte Energie aus der Umgebung wieder auf.

Bild 1: Das Nahfeld einer Antennengruppe

Bild 1: Das Nahfeld einer Antennengruppe

Bild 1: Das Nahfeld einer Antennengruppe

Das Bild 1 zeigt eine Antennengruppe aus vier Einzelstrahlern, die gleichphasig gespeist werden. Erst ab einer bestimmten Entfernung beginnen die vier Einzelfelder sich zu einer Wellenfront zu vereinigen. Obwohl das Bild schon sehr groß gezeichnet wurde, ist hier alles noch als Nahfeld definiert. Um ein Fernfeld zu zeigen, müsste das Bild im gleichen Maßstab vier mal so breit gezeichnet werden. Erst dann liegen die Einzelfelder exakt übereinander.

Bei kleinen Antennen (oft Einzelstrahler, deren geometrische Abmessungen kleiner als die Wellenlänge ist) ist der Abstand von der Antenne, ab dem ein Fernfeld vorliegt, etwa rfern ≈ 2 · λ.

Bei größeren Antennen (Gruppenantennen oder Reflektorantennen, wie zum Beispiel die Parabolantenne) wird der Abstand nach der folgenden Formel berechnet:

rfern = 2 · L2 L = geometrische Antennenausdehnung
λ = Wellenlänge
(1)

λ

Die elektromagnetischen Felder werden durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben. Der mathematische Gehalt der Begriffe Nahfeld und Fernfeld besteht darin, dass im Fernfeld vereinfachende Näherungen möglich sind. Die Eigenschaften der Welle werden im Nahfeld mit dem Abstand r von Polynomen r - n hoher Ordnung n beschrieben. Im Fernfeld bei großem Abstand vereinfacht sich die Beschreibung, da die erste Ordnung alle anderen Terme dominiert. Im Nahfeld hingegen treten für die Beschreibung des gesamten elektromagnetischen Feldes Terme mit unterschiedlichen Exponenten über der Entfernung r auf, beispielsweise ist das r - 2 und r - 4. Als Nahfeld-Term bezeichnet man dann diejenigen Terme, die mit wachsender Entfernung schneller abnehmen. Die Nahfeld-Terme können meist vernachlässigt werden, wenn die Wirkung des Feldes auf weit entfernte Objekte beschrieben werden soll.

Das Fernfeld wird auch als Fraunhofer- Bereich und das Nahfeld als Fresnel- Gebiet bezeichnet.

Innerhalb einer sogenannten Rayleigh- Zone von der Antenne bis zur Entfernung von L²/(2·λ) strahlt die Antenne nicht nur, sondern nimmt die abgestrahlte Energie aus der Umgebung auch wieder auf. Das hat gerade bei Radarantennen in Radomen eine große Bedeutung, da Reflexionen innerhalb von Radomen sich als reflektierte und durch die Antenne wieder aufgenommene Leistungsanteile sich auf den Sender auswirken können. Messtechnisch wirkt sich das auf das Stehwellenverhältnis aus. Energetisch wird dieser Leistungsanteil als Blindleistung betrachtet.

Eine LVA-antenne hat eine Breite von L = 9,4 m. Die Frequenz ist mit 1030 MHz festgelegt. Die Wellenlänge wird mit λ = 0,291 m berechnet.

  • Das Nahfeld geht in einer Entfernung von etwa 607 m in das Fernfeld über.
  • Die Rayleigh- Zone reicht bis in eine Entfernung von 152 m

Eine Messantenne für das Antennendiagramm muss also mindestens 607 m von der LVA-Antenne entfernt aufgebaut werden (empfohlen wird sogar eine sehr viel größere Entfernung).