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Antennendiagramm

1,67°
-20 dB
Nebenkeulen-
dämpfung
Nebenkeulen
Hauptkeule

Bild 1: Ein horizontales Antennendiagramm einer Parabolantenne in einem kartesischen Koordinatensystem. Die Details sind gut dargestellt, aber die Form der Abstrahlung nicht immer erkennbar.

1,67°
-20 dB
Nebenkeulen-
dämpfung
Nebenkeulen
Hauptkeule

Bild 1: Ein horizontales Antennendiagramm einer Parabolantenne in einem kartesischen Koordinatensystem. Die Details sind gut dargestellt, aber die Form der Abstrahlung nicht immer erkennbar.

Inhaltsverzeichnis « Antennendiagramm »
  1. Darstellungsformate
  2. Maßstäbe
  3. Horizontale Antennendiagramme
  4. Vertikale Antennendiagramme
  5. 3D Antennendiagramme

Antennendiagramm

Antennendiagramme sind grafische Darstellungen von Elementen der Strahlungscharakteristik einer Antenne. Das Antennendiagramm ist meist die grafische Darstellung ihrer Richtcharakteristik. Es stellt die relative Intensität der Energieabstrahlung beziehungsweise den Betrag der elektrischen oder magnetischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Richtung zur Antenne dar. Es können aber auch andere Parameter dargestellt werden wie zum Beispiel Phasenlagen oder Impedanzen. Antennendiagramme werden messtechnisch aufgenommen oder durch Simulationsprogramme am Computer generiert, um zum Beispiel die Richtwirkung einer Radarantenne grafisch darzustellen und so deren Leistungsfähigkeit einzuschätzen.

Im Gegensatz zu einer Rundstrahlantenne, die gleichmäßig in alle Richtungen einer Ebene strahlt, bevorzugt eine Richtantenne eine Richtung und erzielt daher in dieser einen Richtung bei geringerer Sendeleistung eine größere Reichweite. Das Antennendiagramm stellt die messtechnisch ermittelte Bevorzugung grafisch dar. Aufgrund der Reziprozität, die gleiche Sende- und Empfangseigenschaften der Antenne gewährleistet, zeigt das Diagramm sowohl die richtungsabhängige Sendeleistung als Feldstärke, als auch die Empfangsempfindlichkeit einer Antenne an.

Rückkeulen
Nebenkeulen
Hauptkeule

Bild 2: horizontales Antennendiagramm in einem Polarkoordinatensystem

Rückkeulen
Nebenkeulen
Hauptkeule

Bild 2: horizontales Antennendiagramm in einem Polarkoordinatensystem

Darstellungsformate

Es werden viele Darstellungsformate genutzt. Es sind sowohl kartesische Koordinatensysteme als auch Polarkoordinatensysteme verbreitet. Das Hauptziel ist, ein Strahlungsdiagramm darzustellen, das entweder horizontal (im Seitenwinkel) für eine vollständige 360° Darstellung oder vertikal (im Höhenwinkel) meist nur für 90° oder 180° repräsentativ ist. In dem kartesischen Koordinatensystem lassen sich die Daten einer Antenne besser darstellen. Da diese Daten aber auch als Tabelle ausgedruckt werden können, wird meist die anschaulichere Darstellung als Ortskurve in einem Polarkoordinatensystem bevorzugt. Dieses gibt im Gegensatz zum kartesischen Koordinatensystem die Richtung unmittelbar an.

Für eine einfache Handhabung, Übersichtlichkeit und maximale Vielseitigkeit werden Strahlungsdiagramme in der Regel auf die Außenkante des Koordinatensystems normiert. Das heißt, der gemessene Maximalwert wird auf 0° ausgerichtet und auf dem oberen Rand des Diagramms eingetragen. Weitere Messwerte des Strahlungsdiagramms werden relativ zu diesem Maximalwert meist in dB (Dezibel) dargestellt.

Maßstäbe

Der Maßstab im Diagramm kann unterschiedlich skaliert werden. Drei Arten von Maßstäben werden verwendet: linearer Maßstab, durchgehend logarithmischer Maßstab und ein modifizierter logarithmischer Maßstab. Eine lineare Skala betont die Hauptstrahlungsrichtung und unterdrückt meist alle Nebenkeulen, da diese in der Größenordnung von oft kleiner als einem Hundertstel der Hauptkeule liegen. Die durchgehend logarithmische Skala stellt die Nebenkeulen jedoch gut dar und wird bevorzugt, wenn der Pegel aller Nebenkeulen wichtig ist. Sie hinterlässt jedoch den Eindruck, dass die Antenne schlecht sei, weil die Hauptkeule relativ klein dargestellt wird. Eine modifizierte nicht-lineare logarithmische Skala betont weiterhin die Form der Hauptkeule und zieht die Nebenkeulen mit sehr niedrigem Pegel (<30 dB) in Richtung Mitte des Diagramms. Die Hauptkeule wird also doppelt so groß wie die stärkste Nebenkeule dargestellt, was für visuelle Präsentationen vorteilhaft ist. Diese Darstellungsform wird in der Technik jedoch selten angewandt, weil exakte Daten daraus schlecht ablesbar wären.

Horizontale Antennendiagramme

Ein horizontales Antennendiagramm ist eine Draufsicht auf das elektromagnetische Feld einer Antenne, dargestellt als zweidimensionale Ebene mit der Antenne im Mittelpunkt.

Das Interesse an dieser Darstellung liegt in der einfachen Erfassung von der Richtwirkung der Antenne. Meist wird in der Skala auch der Wert −3dB als gepunkteter Kreis angegeben. Die Schnittstellen zwischen der Hauptkeule und diesem Kreis ergeben die sogenannte Halbwertsbreite der Antenne. Weitere gut ablesbarer Parameter sind das Vor-/Rückverhältnis, also das Verhältnis zwischen Hauptkeule und Rückkeulen, sowie die Größe und Richtung der Nebenkeulen.

Bei Radarantennen ist das Verhältnis zwischen Haupt- und Nebenkeulen wichtig. Dieser Parameter fließt direkt in die Bewertung der Störsicherheit eines Radars ein.

Vertikale Antennendiagramme

Ein vertikales Antennendiagramm ist eine Seitenansicht des elektromagnetischen Feldes der Antenne. Die Bemaßung des Antennendiagramms ist also die Entfernung zur Antenne in der x-Achse und Höhe über dem Standort der Antenne in der y-Achse. Eine Messmethode für das vertikale Antennendiagramm von Radarantennen ist das Sun-Strobe-Recording. Hierfür kann ein Messtool für Radargeräte, der von Intersoft Electronics hergestellte Gerätesatz RASS-S verwendet werden. Mit diesem Tool können (unter anderem) die Antennendiagramme einer Radarantenne ermittelt und in einer 2D- und sogar in einer 3D-Grafik dargestellt werden.

Bild 3: Vertikales Antennendiagramm mit Cosecans²- charakteristik

Bild 3: Vertikales Antennendiagramm mit Cosecans²- charakteristik

In dem Diagramm ist an der vertikalen Achse (y-Achse) die Höhe in feet (englisch: Fuß) angetragen, in der horizontalen Achse (x-Achse) die Entfernung in Nautischen Meilen (Nm). Diese Maßeinheiten werden aus historischen Gründen bei einem Flugsicherungsradar verwendet. Die Maßeinheiten spielen aber im Diagramm nur eine untergeordnete Rolle, da es sich trotz der absoluten Zahlenangaben um gemessene relative Pegel handelt, die hier nur der Anschaulichkeit wegen den absoluten Werten zugeordnet wurden. Das heißt, dass zu dem jeweils empfangenen Signal aus der gemessenen Richtung gemäß der Radargrundgleichung eine theoretische Reichweite errechnet wird. Somit entsteht ein Diagramm, welches nur von der Form her aussagekräftig ist. Die Entfernungsangeben dazu sind nur theoretische Werte. Erst wenn zwei gemessene Diagramme eines Radargerätes (bei unverändert genutzten Eingabewerten) miteinander verglichen werden können, dann kann auch eine Aussage über eine verbesserte oder verschlechterte Reichweite getroffen werden.

Die strahlenförmigen Geraden aus dem Ursprung sind die Höhenwinkelmarken. Weil die vertikale Achse einen anderen Maßstab hat als die horizontale Achse sind die gezeichneten Abstände zwischen den Höhenwinkelmarken ungleich. Die an der vertikalen Achse angetragenen Höhen werden in das Diagramm nicht nur als Raster, sondern auch als gepunktete Linien hineinprojiziert, wobei diese die reale Höhe über Grund andeuten und somit keine Geraden, sondern gemäß der Erdkrümmung leicht nach unten abfallende Linien sind.

3D Antennendiagramme

Bild 4: Antennendiagramm eines Hornstrahlers in dreidimensionaler Darstellung in einem Polarkoordinatensystem.

Antennendiagramm in dreidimensionaler Darstellung
(click to enlarge: 800·600px = 49 kByte)

Bild 4: Antennendiagramm eines Hornstrahlers in dreidimensionaler Darstellung in einem Polarkoordinatensystem.

Antennendiagramme in dreidimensionaler Darstellung sind durch Computer generierte Bilder. Meist werden sie durch Simulationsprogramme erzeugt, deren Werte einem real gemessenen Diagramm erstaunlich nahe kommen. Ein echtes gemessenes Diagramm zu erzeugen, bedeutet einen immensen Messaufwand, da jedes Pixel des Bildes einen eigenen Messwert repräsentiert.

Viele Antennenmessprogramme wählen deshalb für diese Darstellung einen Kompromiss. Als echte Messwerte liegen nur ein vertikaler und ein horizontaler Schnitt durch das Antennendiagramm vor. Alle anderen Bildpunkte werden errechnet, indem die gesamte Messkurve des vertikalen Diagramms mit je einem Einzelmesswert des horizontalen Diagramms multipliziert wird. Die notwendige Rechenleistung ist gewaltig. Mit Ausnahme einer gefälligen Darstellung in Präsentationen ist der Nutzen zweifelhaft, da aus dieser Darstellung keine neuen Erkenntnisse gegenüber den beiden Einzeldiagrammen (horizontales und vertikales Antennendiagramm) gewonnen werden können. Im Gegenteil: gerade in den Randzonen dürfte ein mit diesem Kompromiss erzeugtes Diagramm von der Realität erheblich abweichen.

Auch 3D Diagramme können sowohl in kartesischen als auch in Polarkoordinaten dargestellt werden.