Antennen
Antennen Mikrowellenantennen und ihre Besonderheiten In ihren Anfängen nutzte die Mikrowellentechnik zur Energieübertragung Hohlleiter, da besonders dämpfungsarme HF-Leitungen noch nicht zur Verfügung standen. Auch heute arbeiten Mikrowellenantennen teilweise mit Hohlleiter-Speisung. Weitere Besonderheiten der Mikrowellenantennen erläutert dieser Beitrag. © www.itwissen.de Zunächst werden einige Grundlagen aufgefrischt, welche für Mikrowellenantennen besonders von Bedeutung sind. Dies erleichtert das Verständnis der verschiedenen Antennenformen. Gewinn und Öffnungswinkel Die geringe Länge der Mikrowellen von z.B. 3 cm (10 GHz) erlaubt den Aufbau von Antennen mit sehr hohem Gewinn. Denn je größer die Abmessungen einer Antenne im Vergleich zur Betriebswellenlänge sind, umso höher fällt allgemein der Gewinn aus. Der Gewinn ist der in Dezibel ausgedrückte Richtfaktor, vermindert um die Antennenverluste bzw. multipliziert mit dem Antennenwirkungsrad als Faktor. Der Richtfaktor beschreibt die Richtwirkung im Vergleich zu einer Bezugsantenne (Kugelstrahler oder Halbwellendipol). Doch wie erhält man den Richtfaktor? Eine vereinfachte, dafür aber kurze und bündige Herleitung des Richtfaktors erfolgt mithilfe der Öffnungswinkel. Als Öffnungswinkel bezeichnet man den Winkel zwischen den beiden Richtungen, bei denen die abgestrahlte Leistung um 3 dB gegenüber dem Maximum gesunken ist. Man hat die 3 dB genommen, weil sie einer Leistungshalbierung entsprechen und daher sehr markant sind. Statt Öffnungswinkel sagt man daher auch Halbwertsbreite. Es sollte verständlich sein, dass Richtfaktor bzw. Gewinn und Öffnungswinkel eng zusammenhängen. Je besser die Bündelung, umso spitzer der Winkel. In der Regel kennt man den Gewinn, nicht aber den Richtfaktor. Bei gut konstruierten Parabolantennen kann man einen Wirkungsgrad um 65% ansetzen (Bild 1, Begriffserklärung Spilloverund Ausleucht-Effizienz folgt), sodass die Umrechnung näherungsweise gelingt. Die Halbwertsbreite einer Parabolantenne erhält man näherungsweise, indem man 21° durch die Frequenz in GHz und den Durchmesser in m teilt: Öffnungswinkel = 21°/(f in GHz x Durchmesser in m) Für 12 GHz und 0,85 m ergeben sich rund 2°. Warum ist nun der Öffnungswinkel von Bedeutung? Dazu genügt z.B. ein Blick in den bereits bemühten Sat-Empfangsbereich. Betrachten wir zwei Offset-Parabolantennen: • 60 cm Durchmesser, Gewinn 36 dBi: Halbwertsbreite 3° • 1,2 m Durchmesser, Gewinn 42 dB, Halbwertsbreite 1,5° Die kleine Antenne kann durch Umwelteinflüsse (Wind, Erschütterung) in doppelt so hohem Maße von der Richtung abgebracht werden wie die große, ohne dass das Signal um mehr als die Hälfte in der Leistung abfällt. Je höher der Gewinn, umso höher sind die Anforderungen an die mechanische Stabilität der Antennenanlage, um diese auch optimal nutzen zu können. Die Wirkfläche Bild 1: Spillover- und Ausleucht-Effizienz und Gesamteffizienz einer Parabolantenne nach [1] Die absolute Leistung, welche eine Empfangsantenne einem elektromagnetischen Feld entnehmen kann, wird von der hypothetischen Wirkfläche und dem Wirkungsgrad der Antenne bestimmt. 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 34 hf-praxis 12/2021
Antennen Bild 2: Ein offener Hohlleiter strahlt eingespeiste Leistung ab [2] Bild 3: Umwandlung von sphärischer in ebene Phasenfront mit Linse (a) oder Spiegel (b), HL = Hohlleiter [2] würde. Darum spricht man auch von Absorptionsfläche. Bei den Mikrowellenantennen benutzt man oft den Ausdruck Apertur („strahlende Fläche“). Diese Fläche ist das Produkt aus quadrierter Wellenlänge mal Richtfaktor, geteilt durch 12,6 (4 π): Wirkfläche = λ 2 x Richtfaktor/12,6 Während man bei Kurzwellenund UKW-Antennen Schwierigkeiten hat, sich diese Fläche vorzustellen, so entspricht die bei Parabolantennen in etwa der (ebenen) mechanischen Fläche. Auch bei anderen Mikrowellen- Antennenformen lässt sie sich leicht erkennen. Die absolute Empfangsleistung ergibt sich neben der Feldstärke bzw. Leistungsflussdichte - der Begriff wird in der Mikrowellentechnik bevorzugt - lediglich aus Wirkfläche und Wirkungsgrad. Daher kann der Praktiker eine „reale Wirkfläche“ berechnen, indem er statt des Richtfaktors den Gewinn als Faktor einsetzt: reale Wirkfläche = λ 2 x Gewinn als Faktor/12,6 Leistungsflussdichte und Empfänger-Eingangsleistung Die flächenbezogene Leistung bezeichnet man als Leistungsflussdichte (bzw. Power Flux Density, PFD). Die Grundeinheit ist W/m 2 . In der Mikrowellentechnik treten Empfangspegel in den Bereichen fW/m 2 oder pW/ m 2 auf. Ein Femtowatt (fW) sind 10 -15 Watt, ein Picowatt (pW) 10 -12 Watt. Mit solch kleinen Werten können die Mikrowellen-Empfangsanlagen durchaus etwas anfangen. Multipliziert man die reale Wirkfläche mit der Bild 4: Abmessungen und Gewinn einer Hornantenne für 10 GHz (3 cm): A 136 mm, B 101 mm, L 155 mm = 20 dBi, A 192 mm, B 142 mm, L 320 mm = 23 dBi [1] Leistungsflussdichte, ergibt sich die elektrische Eingangsleistung des Empfangssystems (LNB, Low Noise Block): P in = reale Wirkfläche x Leistungsflussdichte Welche elektrische Empfangsleistung entsteht beispielsweise mit 5 pW/m 2 und einer 60-cm- Sat-Schüssel? Das lässt sich mithilfe von Wirkfläche und Antennenwirkungsgrad ausrechnen. Die Wirkfläche lässt sich leicht abschätzen, sie ist bekanntlich in etwa so groß wie die Spiegelfläche. Ein Kreis mit diesem Durchmesser besitzt eine Fläche von rund 0,28 m 2 . Der Gewinn einer solchen Antenne liegt bei 36 dBi. Das bedeutet rund Faktor 4000 (10 36/10 ). Die Wellenlänge der Sat-Frequenz 12 GHz beträgt 25 mm (Lichtgeschwindigkeit/ Frequenz). Die reale Wirkfläche ist also 0,025 m x 0,025 mm x 4000 /12,6 = rund 0,2 m 2 groß. Der Unterschied zu 0,28 m 2 wird durch den Wirkungsgrad verursacht. Multipliziert man die reale Wirkfläche mit der Leistungsflussdichte, so erhält man die LNB- Eingangsleistung: P in = 5 pW/m 2 x 0,2 m 2 = 1 pW Hohlleiter in der Mikrowellen- Antennentechnik Elektrisch (d.h. im Vergleich zur Betriebswellenlänge) große (kleine) Antennen haben also einen hohen (geringen) Gewinn. Das trifft auch auf den am Ende offenen Hohlleiter als Antenne zu. Wie in Bild 2 dargestellt, strahlt so einer Einfachst- Antenne von einem sogenannten Phasenzentrum aus eine sogenannte Kugelselektorwelle (kurz: Kugelwelle) ab. Deren Feldstärke nimmt mit der Entfernung linear und deren Leistungsflussdichte nimmt mit der Entfernung folglich quadratisch ab. Eine Erhöhung der Richtwirkung erreicht man gewissermaßen durch das Zusammenführen der entsprechenden auseinanderlaufenden Strahlen mit sphärischer Phasenfront in parallele Strahlenbündel mit ebener Phasenfront. Man kann sich dabei durchaus auf die Optik mit ihren Linsen und Reflektoren (Spiegel) besinnen, denn diese Elemente sind analog auch in der Mikrowellentechnik anwendbar. Dies will Bild 3 illustrieren. Mikrowellen ist ein Trivialname für den Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen von 1 bis 300 GHz (Wellenlänge von 300 mm bis 1 mm). Manche Quellen geben auch den Bereich von 300 MHz bis 300 GHz an. Etwa Bluetooth-Geräte kommunizieren im Frequenzband von 2402 bis 2480 MHz. Dies ist auch ein ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical). hf-praxis 12/2021 35
