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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen Die wichtigsten

Antennen Die wichtigsten Antennenkennwerte im Überblick Was ist der Unterschied zwischen Richtfaktor und Gewinn einer Antenne? Wie soll ich mir die effektive Länge oder Höhe und die Wirkfläche einer Antenne vorstellen? Wie definiert man die Bandbreite einer Antenne? Und was sollte ich über das Gütemaß einer Antenneneinheit wissen? Auf diese und ähnliche Fragen finden Sie hier Antworten. Es sind einzig und allein die Antennen, welche die Funktechnik auszeichnen, ansonsten beruht diese technische Disziplin auf Elektrotechnik, Elektronik und Hochfrequenztechnik. Antennen sind im Grunde reine passive Gebilde – Aktivantennen oder Systeme mit Parabol reflektoren bringen lediglich einen Verstärker nahe an den passiven Teil – und dennoch durch eine Vielzahl mehr oder weniger leicht zu durchschauender Parameter gekennzeichnet. So könnte man sich von geometrischen Begriffen verblüffen lassen, und in der Tat werden diese manchmal nicht richtig interpretiert. Antennenkennwerte haben jedoch einen hohen praktischen Stellenwert. Hier werden sie darum gut verständlich vorgestellt. Richtfaktor, Gewinn und Wirkungsgrad Bild 1: Beziehung zwischen den beiden üblichen Gewinn- Referenzmöglichkeiten [1] Auch die LTE-MIMO-Mobilantenne vom Typ 4465 beruht auf der traditionellen Antennentechnik (Werksbild) Antennen können bekanntlich Strahlungsleistung bündeln wie eine Taschenlampe das Licht. Die gleichmäßig in alle Richtungen (isotrop) strahlende Antenne ist praktisch weder realisierbar noch erwünscht. Wie konsequent die gerichtete Abstrahlung erfolgt, wird in der Antennentheorie mit dem Richtfaktor beschrieben. Er sagt aus, um wie viel höher die Feldstärke/Strahlungsdichte einer als ideal (verlustlos) angesehenen Antenne in Vorzugsrichtung gegenüber einem mit gleicher Leistung gespeisten idealen Halbwellendipol oder isotropem Strahler (auch Kugelstrahler genannt) im Fernfeld ist. Je höher der Richtfaktor, umso konzentrierter die Abstrahlung. Sogenannte Nebenkeulen oder Nebenzipfel, also weitere, aber unerwünschte Abstrahlungen, mindern den Richtfaktor. Dieser kann nur null oder positiv sein. Einige Richtfaktoren: • Kugelstrahler 1 • sehr kurzer Dipol 1,5 • Hertzscher Dipol (Elementardipol) 1,5 • Halbwellendipol 1,64 • Ganzwellendipol 2,41 • sehr kurze Vertikalantenne 3 • Viertelwellen- Vertikalantenne 3,28 Man beachte die doppelten Werte der Vertikalantennen gegenüber den Dipolen! Die kürzeren Antennen versprechen also mehr Gewinn. Das ist der um die Antennenverluste ermäßigte Richtfaktor; man drückt ihn in aller Regel in Dezibel aus. Da hier also etwas Reales mit etwas Idealem verglichen wird, sind durchaus auch negative Dezibel- Angaben möglich. Der Gewinn einer Antenne ist also das „Mehr“ (oder „Weniger“) an Strahlungsleistung (Sendefall) oder elektrischer Ausgangsleistung (Empfangsfall) in Vorzugsrichtung gegenüber einer idealen Vergleichsantenne. Um diese nicht immer nennen zu müssen, hängt man an das dB ein d (Dipol) oder ein i (Isotropstrahler) an. Der Halbwellendipol hat gegenüber dem Kugelstrahler 2,15 dB Gewinn. Bild 1 visualisiert das. Eine 32 hf-praxis 5/2019

Antennen Bild 2: Horizontaldiagramm einer Lang-Yagi-Antenne mit 27° Öffnungswinkel [2] Antenne mit z.B. 10 dBd hat also 12,15 dBi. Trifft man in Katalogen oder Anzeigen allein auf dB, sollte man immer von dBi ausgehen. Oder es hilft ein Vergleich mit ähnlichen Antennen. Die Gewinne etwa gleich aufgebauter Antennen unterscheiden sich nicht wesentlich. Schließlich: Gewinnmessungen bergen diverse Unsicherheiten. In gewissem Maße fehlerhafte Angaben kann man nicht immer ausschließen. Setzt man Richtfaktor und Gewinn ins Verhältnis, erhält man den Wirkungsgrad der Antenne, also das Verhältnis von abgestrahlter zu zugeführter Leis tung. Aufgrund verschiedener Verlustmöglichkeiten sollte man sich hier keinen Illusionen hingeben, 60...70% sind meist realistisch, aber auch nur dann, wenn es sich nicht um elektrisch kurze Antennen handelt. Die Öffnungswinkel, Basis für den Gewinn Das Strahlungsverhalten einer Antenne lässt sich vollständig mit einer 3D-Darstellung charakterisieren. Antennen-Simulationsprogramme liefern diese. Doch bereits das zweidimensionale horizontale und vertikale Richtdiagramm – für Rundstrahler genügt nur dieses – charakterisieren eine Antenne oft schon ausreichend. Aus diesen Diagrammen lassen sich Öffnungswinkel ableiten, welche in zwar geringerem, aber immer noch wertvollem Maße die Richteigenschaften kennzeichnen. Als Öffnungswinkel bezeichnet man den Winkel zwischen den beiden Richtungen, bei denen die Leistung um 3 dB gegenüber dem Maximum gesunken ist. Statt Öffnungswinkel sagt man daher auch Halbwertsbreite (Bild 2). Allein aus den Öffnungswinkeln kann man mit einer einfachen Näherungsmethode nach Kraus auf den Richtfaktor D schließen: D ≈ 41.253/(vertikaler x horizontaler Öffnungswinkel) Das Grad entfällt hier bei den Winkelangaben. Die Näherungsformel ist auf Antennen beschränkt, welche eine nicht zu schmale Hauptkeule und keine Bild 3: Bei diesem Gewinnermittlungs-Diagramm sind die im Text genannten Einschränkungen zu beachten Nebenzipfel haben. Die Näherungsmethode nach Dombrowski und Orr ergibt einen deutlich höheren Richtfaktor: D ≈ 52.532/(vertikaler x horizontaler Öffnungswinkel) Kennt man D und den Antennenwirkungsgrad, hat man den Gewinn. Dieser ist noch weniger aussagekräftig als die Winkel, da ein bestimmter Gewinnwert durch eine Vielzahl von Winkelkombinationen gebildet werden kann. Zur Ermittlung des Gewinns G von Drahtantennen hat sich die folgendermaßen modifizierte Kraus-Formel etabliert: G in dBd ≈ 10 log 25.154/(vertikaler x horizontaler Öffnungswinkel) Als Beispiel seien Öffnungswinkel von 25 und 30° angenommen: G in dBd ≈ 10 log 25.154/750 ≈ 10 log 33,54 ≈ 15,3 Das harmoniert perfekt mit dem Diagramm in Bild 3, welches auf der Formel beruht. Doch Achtung: Formel und Diagramm gelten nur für Antennen ohne Neben- und Rückwärtskeulen! Daher ist der damit ermittelte Gewinn für Antennen mit diesen Effekten 1 bis 2 dB zu hoch. Mikrowellenantennen haben praktisch keine Neben- und Rückwärtskeulen und Öffnungswinkel von wenigen Grad. Beispielsweise hat eine Offset-Parabolantenne für Sat-Empfang mit 57 cm Durchmesser Halbwertsbreiten unter 3° und gemäß Formel einen Gewinn um 34,5 dBd bzw. 36,6 dBi. Das entspricht auch den Tatsachen, sodass sich der von Kraus angenommene Wirkungsgrad auch bei solchen Antennen bewährt. Für die näherungsweise Ermittlung der Halbwertsbreite einer Parabolantenne gilt die Formel: 21°/(Frequenz in GHz x Durchmesser in m) Diese führt beispielsweise bei Sat-Antennen (12 GHz) zu folgenden Richtwerten: • 60 cm Durchmesser, Gewinn 36 dBi: Halbwertsbreite 3° • 85 cm Durchmesser, Gewinn 38 dBi: Halbwertsbreite 2° • 1,2 m Durchmesser, Gewinn 42 dB, Halbwertsbreite 1,5° Wird die kleinste (größte) Antenne um 1,5° (0,75°) falsch ausgerichtet, ist die Signalleistung 3 dB schwächer als das mögliche Maximum. Fortsetzung auf unserer Homepage: Den vollständigen Artikel lesen sie unter: https://www.beam-verlag.de/fachartikelarchiv-hf-technik/antennentechnik/ hf-praxis 5/2019 33

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