www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Antenne kenmerken

Bundelbreedte
Zijlob
verzwakking
Verhouding voorkant-achterkant

Figuur 1: Antennepatroon in een polaire coördinatenweergave

Diagram met het referentiepunt in het midden van het beeld en een in hoekcorrecte weergave van de gemeten waarden. De grootte van een gemeten waarde wordt weergegeven door de afstand tot het middelpunt van de grafiek. Hier is een voorbeeld van een antennepatroon van een richtantenne.
Bundelbreedte
Zijlob
verzwakking
Verhouding voorkant-achterkant

Figuur 1: Antennepatroon in een polaire coördinatenweergave

Antenne eigenschappen

Antenneversterking en richtingsgevoeligheid

Door de antenne op een speciale manier te ontwerpen, is het mogelijk de stralingsdichtheid in bepaalde ruimtelijke richtingen te concentreren. De antenneversterking is een maat voor de richtingsgevoeligheid van een verliesvrije antenne. Deze hangt nauw samen met de richtingsgevoeligheid van de antenne. In tegenstelling tot de richtingscoëfficiënt, die alleen de richtingscoëfficiënt van de antenne beschrijft, houdt de antenneversterking ook rekening met de efficiëntie van de antenne, d.w.z. zij geeft het werkelijk uitgestraalde vermogen aan. Dit is meestal minder dan het door de zender geleverde vermogen. Aangezien dit vermogen echter gemakkelijker kan worden gemeten dan de richtkarakteristiek, wordt de antenneversterking vaker gebruikt dan de richtkarakteristiek. Ervan uitgaande dat een verliesloze antenne in aanmerking wordt genomen, kan de directiviteit gelijk worden gesteld aan de antenneversterking.

Om de antenneversterking te bepalen, wordt naast de eigenlijke antenne ook een referentieantenne gebruikt. Gewoonlijk dient een verliesvrije hypothetische bolvormige straler (isotrope straler), die in alle richtingen gelijkmatig straalt, of een eenvoudige dipool, die ook een referentie kan vormen, althans in het beschouwde vlak, als referentieantenne.

Voor de eigenlijke antenne bepaalt men nu de stralingsdichtheid (vermogen per oppervlakte-eenheid) op een punt op een bepaalde afstand en vergelijkt deze met de waarde die resulteert bij gebruik van de isotrope antenne. De antenneversterking is dan de verhouding van de twee stralingen.

Indien bijvoorbeeld een richtantenne 200 maal de radiantie produceert van een isotrope antenne in een bepaalde ruimtelijke richting, zal de antenneversterking G = 200 of 23 dB.

Antennepatroon

Het antennepatroon is een grafische voorstelling van de ruimtelijke verdeling van de uitgestraalde energie van een antenne. Afhankelijk van de toepassing mag een antenne alleen uit een bepaalde richting ontvangen, maar geen signalen uit andere richtingen opvangen (b.v. televisie-antenne, radarantenne). Anderzijds moet een auto-antenne b.v. zenders uit alle mogelijke richtingen kunnen ontvangen.

De gewenste richtkarakteristiek wordt bereikt door de specifieke mechanische en elektrische constructie van een antenne. Een richtingskarakteristiek geeft aan hoe goed een antenne in een bepaalde richting ontvangt of zendt. Deze wordt in een grafische voorstelling (richtdiagram, antennepatroon) aangegeven als functie van de azimutale hoek (horizontaal diagram) en de elevatiehoek (verticaal diagram).

Bundelbreedte
Nebenkeulen-
dämpfung
Verhouding
voorkant-achterkant

Figuur 2: Hetzelfde antennediagram in een weergave met cartesische coördinaten.

Cartesisch diagram met assen loodrecht op elkaar als referentie. De hoekwaarden worden ingevoerd op de X-as, de gemeten waarden op de Y-as. Hier is ook het antennediagram hierboven als voorbeeld.
Bundelbreedte
Nebenkeulen-
dämpfung
Verhouding
voorkant-achterkant

Figuur 2: Hetzelfde antennediagram in een weergave met cartesische coördinaten.

Er wordt een cartesisch of een polair coördinatenstelsel gebruikt. De gemeten waarden in de grafische voorstelling kunnen lineaire of logaritmische waarden hebben.

Bundelbreedte

De bundelbreedte of openingshoek is het hoekbereik van het antennepatroon waarin nog ten minste de helft van het maximale vermogen wordt uitgestraald!

Grenspunten van de hoofdlob zijn dus de punten waar de veldsterkte in de kamer met 3 dB is gedaald ten opzichte van de maximale veldsterkte. De hoek Θ wordt dan de openingshoek of „halve breedte“ van de antenne genoemd. Ter vereenvoudiging wordt er in berekeningen vaak van uitgegaan dat het vermogen gelijkmatig is verdeeld binnen de openingshoek en dat er geen vermogen meer is buiten de openingshoek.

Ruimtehoek van de antenne

Een ruimtehoek is een tweedimensionale hoekmeting met de variabele aanduiding Ω. De meeteenheid is de hulpeenheid steradiaal [Sr]. De ruimtehoek of de equivalente ruimtehoek van de antenne ΩA is de ruimtehoek waardoor het totale antennevermogen zou stromen indien de stralingsintensiteit constant zou zijn voor alle hoeken binnen deze ruimtehoek. Buiten de ruimtehoek van de antenne zou de stralingsintensiteit nul zijn. Het is een nogal theoretische waarde, maar voor antennes met een zeer sterke directiviteit en kleine zijlobben kan zij worden benaderd met:

ΩA ≈ Θaz·Θel met: Θaz = horizontale openingshoek (in radialen)
Θel = verticale hoek van het diafragma (in radialen)
(1)

Er zijn modellen waarbij de projectie van de ruimtehoek van de antenne op het oppervlak een rechthoekig profiel is met de randlengten van de verticale en de horizontale halve breedte (piramidale ruimtehoek), maar ook modellen waarbij de projectie cirkelvormig of elliptisch op een bolvormig oppervlak wordt weergegeven (canonieke ruimtehoek).

Zijlob verzwakking

Naast de hoofdlob worden in het stralingspatroon van een antenne verscheidene zijlobben en een achterlob aangetroffen. Deze verschijnselen zijn ongewenst omdat zij een ongunstige invloed hebben op het richteffect en ook energie onttrekken aan de hoofdlob. De verhouding tussen de hoofdlob en de grootste zijlob wordt zijlobdemping of zijlob verzwakking genoemd. De zijlobdemping moet een zo hoog mogelijke waarde hebben.

Voor-achterverhouding

De verhouding voor de voorzijde tot de achterzijde ook wel verhouding voorkant-achterkant of achterdemping genoemd, is de verhouding tussen de versterking van de hoofdlob bij 0° en de versterking van de acheruitlob bij 180°. Ook deze verhouding moet zo groot mogelijk zijn.

Figuur 3: Het effectieve antenneoppervlak is een sectie van een bolvormig oppervlak.

Het effectieve antenneoppervlak is een sectie van een bolvormig oppervlak, 
(click to enlarge: 600·400px = 14 kByte)

Figuur 3: Het effectieve antenneoppervlak is een sectie van een bolvormig oppervlak.

Effectief antenneoppervlak (apertuur)

Een belangrijke parameter van antennes wordt het effectieve antenneoppervlak (Ae) genoemd. Onder de voorwaarde van optimale oriëntatie en polarisatie is het maximaal te ontvangen vermogen van een ontvangstantenne evenredig met de vermogensdichtheid van de vlakke golf die op de plaats van ontvangst invalt. De stralingsdichtheid van het golffront is een vermogen per oppervlakte-eenheid. De evenredigheidsfactor heeft dus de dimensie van een gebied dat door een antenne in een elektromagnetisch veld wordt weergegeven. Dit oppervlak wordt het effectieve antenneoppervlak Ae genoemd en hangt nauw samen met de richtingsgevoeligheid D van de antenne, die ook gelijk is aan de versterking voor een antenne zonder verliezen:

D = G·η = 4π · Ae ; Ae = Ka·A met: η = antenne-efficiëntie
λ = golflengte
Ae = effectief antenneoppervlak
A = geometrisch antenneoppervlak
Ka = effectiviteit van het antenneoppervlak (apertuurefficiëntie)
(2)
λ2

Uit deze vergelijking blijkt een zeer belangrijk verband: de richtingscoëfficiënt van een antenne wordt bepaald door zijn geometrische afmetingen. Hoe groter het antenneoppervlak in verhouding tot de golflengte, hoe sterker de richtingsgevoeligheid.

Ook voor lineaire antennes kan een effectief antenneoppervlak worden gespecificeerd. Deze behoeft niet noodzakelijkerwijs overeen te komen met de geometrische verlenging van de antenne, hetgeen vooral bij draadantennes voor de hand ligt. De verhouding van de twee grootheden wordt de openingscapaciteit van de antenne Ka genoemd. Voor antennes met een grote parabolische reflector is Ka = 0,6 … 1. Het effectieve antenneoppervlak van een rechthoekige hoornstraler met de afmetingen a en b is iets kleiner dan het geometrische oppervlak a·b.

Het effectieve antenneoppervlak is afhankelijk van de stralingsverdeling over het geometrische antenneoppervlak. Als deze stralingsverdeling lineair is, dan is Ka= 1. Deze hoge apertuurefficiëntie met een lineaire stralingsverdeling resulteert echter ook in sterk geprononceerde zijlobben. Indien de zijlobben voor het praktische gebruik van een antenne kleiner moeten worden gehouden, dan moet de stralingsverdeling niet-lineair zijn en is het effectieve antennegebied dan kleiner dan het geometrische antennegebied (Ae< A).

Bandbreedte

De bandbreedte van een antenne is het frequentiebereik waarin de antenne de vereiste eigenschappen bezit:

nog steeds bereikt. Door hun resonantie-eigenschappen laten de meeste antennetypes een vrij smalle bandbreedte toe van ongeveer 5 tot 10% van hun centrumfrequentie (d.w.z. 100 tot 200 MHz bandbreedte bij 2 GHz). Voor grotere bandbreedtes zijn speciale antennes in gebruik, bijvoorbeeld de logaritmische periodieke antenne of de Vivaldi-antenne.