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EF 2018/2019

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Einkaufsführer HF-Technik 2018/2019

Antennen Bild 8: Der

Antennen Bild 8: Der Eingangswiderstand R0 eines Halbwellendipols wird nur vom Drahtdurchmesser d bzw. der Drahtquerschnittsfläche bestimmt [2] „Rundum-Charakteristik“ wie bei der Stabantenne. Für eine ringförmige Rahmenantenne, deren Abmessungen wesentlich kleiner als die Wellenlänge sind, gilt praktisch: l eff = 5 x N x D 2 /λ N ... Windungszahl D ... Durchmesser λ ... Wellenlänge Bei der Rahmenantenne erzeugt auch das E-Feld eine bemerkenswerte Spannung: U = E x l eff x Q E ... elektrische Feldstärke bei optimaler Ausrichtung Q ... Betriebsgüte Dies deshalb, weil diese Antenne aus viel Draht besteht, wie auch eine elektrische Antenne! Man spricht vom „Antenneneffekt”. Dieser völlig unkonkrete Begriff entstand durch Abkürzung der einst benutzten Bezeichnung „Hochantenneneffekt”, was auf eine elektrische Antenne hinweist. Ich würde „Überlagerungseffekt” sagen. Er trübt die Peilminima ein, „verwäscht” sie. In erster Linie muss man aber die durch das Magnetfeld erzeugte Spannungskomponente berücksichtigen. Wir errechnen zunächst aber den Strom im Kreis: I = H x l eff H ... magnetische Feldstärke bei optimaler Ausrichtung Die Empfangsspannung bzw. -leistung lässt sich dann über den Resonanzwiderstand des Kreises, den Lastwiderstand und die Betriebsgüte ermitteln. Wirk-, Streu- und Verlustfläche Die Strahlungsdichte einer einfallenden Welle und die dieser entnehmbare maximale Empfangsleistung sind proportional. Der Proportionalitätsfaktor ist eine Fläche. Der Richtfaktor vergrößert diese Fläche, die man dann Wirkfläche nennt. Anders ausgedrückt: Die absolute Leistung, welche eine Empfangsantenne einem elektromagnetischen Feld entnehmen kann, wird von einer hypothetischen sogenannten Wirkfläche bestimmt. Wichtig zu wissen: Der Gewinn allein reicht zur Bestimmung dieser absoluten Empfangsleistung nicht aus! Die Wirkfläche einer verlustfreien Antenne ist das Produkt aus quadrierter Wellenlänge mal Richtfaktor, geteilt durch 12,6 (4 x π). (Daher hat auch der hypothetische punktförmige Isotropstrahler eine Wirkfläche größer als null.) Sie allein bestimmt daher zusammen mit dem Antennenwirkungsgrad die Empfangsleistung, welche bekanntlich bei Leistungsanpassung maximal wird. Ein Halbwellendipol hat die Wirkfläche 0,13 xλ2, eine kurze Vertikalantenne hat die Wirkfläche 0,06 x λ 2 . Hierbei fällt auf, dass die Wirkfläche der deutlich kürzeren Antenne kaum kleiner ist als die Hälfte der deutlich längeren. Aus dieser Tatsache ziehen Aktivantennen mit ihren elektrisch kurzen Stäben ihre Wirksamkeit. Beim selben Antennentyp ergeben sich hingegen gewaltige Unterschiede mit Ändern der Wellenlänge. Etwa ein Halbwellendipol für 80 m hat die Wirkfläche (80 m) 2 x 1,64/12,6 = 6400 m 2 x 0,13 = 833 m 2 ; ein Halbwellendipol für die Wellenlänge 10 m hat hingegen nur die Wirkfläche (10 m) 2 x 1,64/12,6 = 100 m 2 x 0,13 = 13 m 2 . Man stellt sich unter der Wirkfläche eine senkrecht zur Einfallsrichtung der Funkwellen liegende Fläche vor, welche die gleiche Leistung umfasst, die dem Feld von der Antenne bei Leistungsanpassung und Verlustfreiheit entzogen werden würde. Neben dieser idealen Wirkfläche lässt sich auch eine reale oder effektive Wirkfläche errechnen, indem man statt des Richtfaktors den Gewinn als Faktor nimmt. Auch wenn man die auf eine Antenne wirkende Strahlung (Einheit: W/m 2 ) durch die bei Anpassung entnehmbare Leis tung dividieren, erhält man diese Wirkfläche. Im hier besprochenen Empfangsfall nennt man sie auch Absorptionsfläche, im Sendefall auch Strahlungsfläche. Je schärfer die Richtwirkung einer Antenne ist, umso mehr Bild 9: Ersatzschaltbild der Antennenimpedanz (Quelle: Mürrmann) Leistung kann sie einem vorhandenen Feld entziehen (Empfangsfall) bzw. ein umso stärkeres Feld kann sie aus einer angebotenen Leistung erzeugen (Sendefall). Daher setzt man bei den Flächen immer Orientierung in Vorzugsrichtung voraus. Die Wirkfläche – nichts weiter als eine erweiterte Gewinnangabe? Nicht ganz. Bedenken wir, dass die Strahlung im Sendefall frequenzunabhängig ist: Ein 80-m-Halbwellendipol erzeugt mit 10 W die gleiche Strahlung wie ein 6-m-Halbwellendipol. Ganz anders bei Empfang: Hier liefert der kurze Dipol nur rund ein Dreizehntel der Spannung des langen (80 m/6 m)! Dieser Tatsache trägt die Wirkfläche Rechnung, indem sie mit dem Quadrat der Wellenlänge zunimmt. Ähnlich wie beim angepassten Sender die halbe Leistung an dessen Ausgangswiderstand auftritt, wird bei einer angepassten Empfangsantenne die halbe, dem Feld entnommene, Leistung wieder abgestrahlt. Somit kann man auch eine Streufläche definieren, die bei Anpassung und Verlustfreiheit gleich der Wirkfläche ist. Über die Last lässt sich das Verhältnis der dann nicht nur für Anpassung definierten Flächen ändern: „Bei stetiger Vergrößerung des Klemmenwiderstands verringern sich die Streu- und die Wirkfläche. Jedoch nimmt die Streufläche schneller ab, sodass das Verhältnis der gestreuten zur absorbierten Leistung nach Ermessen eingestellt werden kann.“ [4] 14 HF-Einkaufsführer 2018/2019

Bild 10: Verlauf des Realanteils einer aus 1 mm starkem Draht bestehenden Dipolantenne in Abhängigkeit von deren elektrischer Länge Bild 11: Verlauf des Blindanteils einer aus 1 mm starkem Draht bestehenden Dipolantenne in Abhängigkeit von deren elektrischer Länge Äquivalent zu den Definitionen für Wirk- und Streufläche lässt sich mit der Verlustleistung und der Strahlungsdichte schließlich eine Verlustfläche definieren. Rauschtemperatur und Systemgüte/Gütemaß Die Rauschtemperatur ist eine hypothetische Rauschrechengröße. Es lässt sich entsprechend dem vorhandenen Rauschen, etwa dem Antennenrauschen, eine Temperatur finden, der es entspricht. Diese nennt man Rauschtemperatur. Damit ist die Rauschtemperatur lediglich eine Entsprechung des Rauschfaktors bzw. Rauschmaßes. Beispielsweise in den Katalogen von Satellitenantennen-Herstellern können wir auf die Begriffe Systemgüte oder Gütemaß (Figure of Merit, M) oder G/T treffen. Hierbei handelt es sich um das logarithmische Verhältnis zwischen Antennengewinn bezüglich des Kugelstrahlers und logarithmierter Rauschtemperatur des Elektronikteils, also LNBs oder Verstärkers. Eine dBi-Angabe wird also zu einer logarithmierten Kelvin-Angabe (K) in Bezug gebracht. HF-Einkaufsführer 2018/2019 Dies alles ist möglicherweise auf Anhieb nicht nachvollziehbar, macht aber (zumindest in Grenzen) Sinn. Denn die Güte einer solchen Empfangsanlage kann sowohl über den Antennengewinn als auch über das Eigenrauschen beeinflusst werden. Bei den Mikrowellen ist es ganz anders als bei den Kurzwellen: Das Antennerauschen liegt deutlich unter dem Verstärkerrauschen. Senkt man dieses, kann man wirklich besser empfangen. Es gilt die Berechnungsformel: M = Antennengewinn in dBi - 10 lg (Rauschtemperatur in K) Man erhält die „Einheit“ dB/K. Für eine Satellitenantenne mit 36 dBi Gewinn und einen perfekt installierten LNB mit einer Rauschtemperatur von 55 K (ca. 0,8 dB) folgt: M in dB/K = 36 - 10 lg 55 = 36 - 10 x 1,74 = 36 - 17,4 = 18,6 Würde man den LNB gegen einen 0,2-dB-Typ austauschen, sähe die Rechnung so aus: M in dB/K = 36 - 10 lg 13 = 36 - 10 x 1,11 = 36 - 11,1 = 24,9 Die Systemgüte ist um über 6 dB gewachsen, obwohl das Eigenrauschen nur um 0,6 dB gesenkt wurde. Dies zeigt, dass man mit diesem Parameter vorsichtig umgehen muss! Er verstößt gewissermaßen gegen die Dezibel-Rechenregeln und ist daher zur Beurteilung einer Anlage nur eingeschränkt geeignet. Zuverlässiger arbeitet man mit seinen „Einzelteilen“ Gewinn und Rauschmaß. Mehr Informationen bringt [5]. Last not least: die Bandbreite Man definiert die Bandbreite für eine bestimmte SWR-Spanne, etwa max. 2 (dann 11% Leistungsverzicht an den so definierten Bandenden) und/oder SWR 3 (dann 25% Leistungsverzicht). FS Quellen: [1] Ulrich Freyer: Dezibel für Anwender, Franzis-Verlag München 1989 [2] Karl Rothammel: Antennenbuch, 11. Auflage, Berlin 1988 [3] Website www.leobaumann. de/antennenimpedanz.htm [4] H. P. Czernetzki: Wirk-, Streu- und Verlustfläche, Funk- Technik 17/1965, S. 676 [5] Jean-Pierre Waymel, Hartmut Klüver: Antennen-G/T- Rechner mit öffentlichem Quellcode, Dubus, Hamburg, Heft 1, 2 und 3/2017 Antennengewinn, -durchmesser, Wellenlänge und Empfangsleistung Der Gewinn einer Parabolantenne steigt mit ihrem Durchmesser: Jede Verdopplung des Durchmessers bedeutet ein Gewinnplus von 6 dB (Spannungsverdopplung bzw. Leistungsvervierfachung). Der Zusammenhang ist leicht verständlich, denn die Reflektorfläche hat sich nun vervierfacht, die vierfache Leistung kann dem Feld entnommen und gebündelt werden. Der Gewinn einer Parabolantenne ist zudem indirekt zum Quadrat der Wellenlänge. Verdoppelt man diese, so sinkt der Gewinn um 6 dB. Mit anderen Worten: Eine Halbierung der Wellenlänge kann durch eine Verdopplung des Antennendurchmessers ausgeglichen werden. Das könnte zu dem falschen Schluss verleiten, dass die Empfangsleistung mit der Wellenlänge sinkt bzw. mit der Frequenz steigt. Dies ist ein Trugschluss, die Empfangsleistung einer Parabolantenne ist von der Frequenz unabhängig. Das ist über die Wirkfläche der Antenne zu erklären, die sich proportional zur quadrierten Wellenlänge verhält. ◄ Bild 12: Strom- und Spannungsverlauf über dem Halbwellendipol. Der Strom wäre durch Einfügen eines HF-Strommessers leicht messbar, die Spannung bezieht sich auf den Einspeisepunkt. An jedem Punkt der Antenne ist die Leistung gleich 15

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