Antennenmerkmale Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX

Präsentation zum Thema: "Antennenmerkmale Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX"—  Präsentation transkript:

1 Antennenmerkmale Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX
Kapitel Fragen TH201 bis TH232 Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX

2 Sende- oder Empfangsantenne?
Für Antennen gilt das Prinzip der Reziprozität: Die Eigenschaften einer Antenne sind im Sende- und Empfangsfall gleich. Eine gute Sendeantenne ist also auch eine gute Empfangsantenne. Bei den folgenden Betrachtungen ist es daher unerheblich, ob eine Antenne zum Senden oder zum Empfangen betrachtet wird.

3 Nahfeld - Fernfeld Bei Antennen unterscheidet man das Nahfeld vom Fernfeld. Dazwischen liegt der Übergangsbereich. Nahfeld • Austausch von kapazitiver und induktiver Blindleistung dominiert • Resonanzkreise im Nahfeld können der Antenne Wirkleistung entziehen (Warensicherungsetikett) •Alle Gegenstände (Drähte, Balken), die sich im Nahfeld befinden, beeinflussen die Eigenschaften der Antenne (Richtwirkung, Fußpunktimpedanz usw.). Fernfeld: • Abstrahlung von Wirkleistung in Form von ebenen Wellen • Formung der Richtcharakteristik Der Übergang vom Nahfeld zum Fernfeld ist abhängig von den Abmessungen der Antenne. Laut Fragenkatalog liegt dieser bei 𝑑= λ 2𝜋 CC BY 2.5,

4 Nahfeld - Fernfeld Bei leitungsgebunden Wellen werden Ströme und Spannungen angegeben. Bei Freiraumwellen erfolgt die Beschreibung durch die elektrische und magnetische Feldstärke. • elektrische Feldstärke E V/m • magnetische Feldstärke H A/m • elektrische Flussdichte D As/m² • magnetische Flussdichte Vs/m² Elektrisches und magnetisches Feld sind in Phase – es wird Wirkleistung übertragen. Bildquelle: Sebastian Hantscher – DL8BFV, eigenes Werk Von And1mu - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0,

5 Fußpunktimpedanz Jede Antenne besitzt einen geeigneten Stecker, um Leistung ein- oder auskoppeln zu können. An diesem Stecker ist die Fußpunktimpedanz zu messen, bestehend aus: • Strahlungswiderstand RS (gibt den Zusammenhang zwischen Antennenstrom und abgestrahlter HF-Leistung an) • Verlustwiderstand RV (gibt den Zusammenhang zwischen Antennenstrom und den Wärmeverlusten an) • Blindwiderstand, der in Resonanz verschwindet Bsp: - Faltdipol: 240 Ω bis 300 Ω - Groundplane: 30 Ω bis 50 Ω - Halbwellendipol: 60 Ω bis 75 Ω Strahlungs- und Verlustwiderstand bestimmen den Wirkungsgrad der Antenne η= R S R S + R V Dieser ist besonders bei stark verkürzten Antennen (für 80 m oder 160 m Band) leider sehr niedrig. Bildquelle: Von Frank Murmann, Gemeinfrei

6 Antennengewinn 𝐺=10∙𝑙𝑔 𝑃 𝐴𝑛𝑡 𝑃 𝑖𝑠𝑜 in dBi
Ein isotroper Kugelstrahler ist eine (gedachte) Antenne, die in alle Richtungen gleichmäßig viel Leistung abstrahlt. Solch eine Kugelstrahler wird mit der Sendeleistung PS gespeist. Die Empfangsantenne empfängt die Leistung Piso. Nun wird der Kugelstrahler durch eine Richtantenne ersetzt. An der Empfangsantenne ist jetzt eine höhere Leistung PAnt zu messen. PS Piso PS PAnt Antennengewinn G 𝐺=10∙𝑙𝑔 𝑃 𝐴𝑛𝑡 𝑃 𝑖𝑠𝑜 in dBi 𝐺=10∙𝑙𝑔 𝑃 𝐴𝑛𝑡 𝑃 𝑖𝑠𝑜 −2,15 in dBd Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk

7 EIRP und ERP Da isotrope Kugelstrahler in der Praxis nicht existieren, wird oft von einem Halbwellendipol als Referenzantenne ausgegangen. Da dieser aber selbst einen Gewinn von 2,15 dBi hat, so ist der Unterschied zwischen dBi und dBd stets 2,15. Der Antennengewinn entspricht aber nicht einer Verstärkung der Leistung (woher soll die auch kommen?). Die Leistung, die durch Bündelung in Hauptstrahlrichtung mehr abgestrahlt wird, wurde anderen Richtungen, den Nebenkeulen, vorher entzogen. Das Produkt von Sendeleistung und Antennengewinn wird als äquivalente isotrope Strahlungsleistung EIRP bezeichnet und ist demnach die Leistung, mit der ein isotroper Kugelstrahler gespeist werden müsste, um am Empfänger die selbe Leistung zu messen wie eine Richtantenne mit dem Gewinn G. 𝐸𝐼𝑅𝑃 𝑑𝐵𝑚 = 𝑃 𝑆 𝑑𝐵𝑚 + 𝐺 𝑑𝐵𝑖 Wird als Bezug wieder der Halbwellendipol herangezogen, so spricht man der äquivalenten Strahlungsleistung ERP 𝐸𝑅𝑃 𝑑𝐵𝑚 = 𝑃 𝑆 𝑑𝐵𝑚 + 𝐺 𝑑𝐵𝑑

8 Richtcharakteristik Allgemein unterscheidet man dabei die Hauptkeule, Nebenkeule und Rückkeule sowie die Nebenkeulendämpfung, das Vor-Rück-Verhältnis und den Öffnungs-winkel (Halbwertsbreite) der Hauptkeule in Azimut- und Elevationsrichtung (–3 dB). -3 Nebenkeulen-dämpfung = 12 dB Vor-Rück-Verhältnis = 26 dB -3 dB Nebenkeulen-dämpfung = 12 dB 14° Vor-Rück-Verhältnis = 26 dB -7° 7° Öffnungs- winkel = 14° Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk

9 Polarisation Unter der Polarisation einer elektromagnetischen Welle versteht man die Orientierung des elektrischen Feldvektors. Ausgehend von der allgemeinen elliptischen Polarisation existieren folgende Spezialfälle: • Horizontale Polarisation (Yagi-Antenne, W3DZZ-Antenne) • Vertiakale Polarisation (λ/4 Vertikalstrahler, 5λ/8 Vertikalstrahler ) • zirkulare Polarisation (Helixantenne, Kreuz-Yagi) Im Kurzwellenbereich wird horizontal oder vertikal abgestrahlt. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass Sende- und Empfangsantenne die selbe Polarisation besitzen, da diese sich während der Ausbreitung über die Raumwelle verändern kann (Faraday-Effekt). Im UKW-Bereich, speziell für Satellitenkommunikation, werden oft Antennen mit zirkularer Polarisation verwendet. Da die zirkulare Polarisation sich aus einer horizontalen und einer vertikalen besteht, sind beide Polarisationen empfangbar, wenn auch um 3 dB abgeschwächt.

10 Polarisation Die Erzeugung der zirkularen Polarisation kann beispielsweise durch 2 gekreuzte Dipole erfolgen. Der eine Dipol strahlt horizontal, der andere vertikal ab. Die Speisung beider Dipole muss 90° phasenverschoben erfolgen, z. B. über eine λ/4 Umwegleitung. Verwendet man noch gekreuzte Direktoren/Reflektoren, entsteht eine Kreuz-Yagi. Bildquelle: radartutorial.eu, CC BY-SA 3.0 Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk

11 VSWR 𝑟= 𝑍 𝐿 − 𝑍 0 𝑍 𝐿 − 𝑍 0 𝑉𝑆𝑊𝑅= 1+ 𝑟 1− 𝑟 𝑉𝑆𝑊𝑅= 𝑈 𝑚𝑎𝑥 𝑈 𝑚𝑖𝑛
Ein Sender mit 50 Ω Ausgang speist Leistung in ein Koaxialkabel mit 50 Ω Wellenwiderstand ein. Weicht die Fußpunktimpedanz der Antenne aber von 50 Ω ab, so wird ein Teil der zur Antenne hinlaufenden Welle reflektiert. Hinlaufende und reflektierte Wellen überlagern sich dann. Es entsteht eine Mischung aus fortschreitender und stehender Welle. Reflexionsfaktor 𝑟= 𝑍 𝐿 − 𝑍 0 𝑍 𝐿 − 𝑍 0 Umax Stehwellenverhältnis Umin 𝑉𝑆𝑊𝑅= 1+ 𝑟 1− 𝑟 𝑉𝑆𝑊𝑅= 𝑈 𝑚𝑎𝑥 𝑈 𝑚𝑖𝑛 Von Pyrometer - Eigenes Werk, CC0,

12 VSWR Die Messung des VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) erfolgt mit einem Kreuzzeigerinstrument oder auch intern am Transceiver. Auch externe handliche Antennenanalyzer zeigen das VSWR an. linker Zeiger: hinlaufende Leistung rechter Zeiger: reflektierte Leistung Schnittpunkt: VSWR Eine perfekt angepasste Antenne hat ein VSWR von genau 1. Bei kompletter Fehlanpassung wird das VSWR unendlich groß. Transceiver sind meist so ausgelegt, dass ein VSWR von 3 (z. B. 150 Ω) noch toleriert wird. Wird das VSWR zu groß, so wird die Sendeleistung reduziert, um die Endstufe nicht zu überlasten. Bildquellen: Michael Funke – DL4EAX

13 VSWR Beispiel Zunächst einmal wird aus dem VSWR der Reflexionsfaktor berechnet: Die transmittierte Leistung in die Antenne ist: 75% der Leistung gelangen in die Antenne, 25% der Leistung werden reflektiert und in Wärme umgesetzt. 𝑉𝑆𝑊𝑅= 1+ 𝑟 1− 𝑟 𝑉𝑆𝑊𝑅∙ 1− 𝑟 =1+ 𝑟 𝑉𝑆𝑊𝑅−𝑉𝑆𝑊𝑅∙ 𝑟 = 1+ 𝑟 −𝑉𝑆𝑊𝑅∙ 𝑟 − 𝑟 =1−𝑉𝑆𝑊𝑅 𝑟 = 𝑉𝑆𝑊𝑅−1 𝑉𝑆𝑊𝑅 𝑟 = 3−1 3+1 =0,5 Reflexionsfaktor 𝑟= 𝑍 𝐿 − 𝑍 0 𝑍 𝐿 − 𝑍 0 𝑃 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 1− 𝑟 2 ∙ 𝑃 ℎ𝑖𝑛 = 1− 0,5 2 ∙ 𝑃 ℎ𝑖𝑛 = 0,75∙ 𝑃 ℎ𝑖𝑛 Bildquelle: Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen Fragenkatalog Prüfungsfragen „Technische Kenntnisse“ Klasse E 1. Auflage, September 2006

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15 Initiales Autorenteam: Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke - DL4EAX Willi Kiesow – DG2EAF Änderungen durch: Hier bitte Ihren Namen eintragen, wenn Sie Änderungen vorgenommen haben. Sie dürfen: Teilen: Das Material in jedwedem Format oder Medium vervielfältigen und weiterverbreiten. Bearbeiten: Das Material verändern und darauf aufbauen. Unter folgenden Bedingungen: Namensnennung: Sie müssen angemessene Urheber- und Rechteangaben machen, einen Link zur Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Diese Angaben dürfen in jeder angemessenen Art und Weise gemacht werden, allerdings nicht so, dass der Eindruck entsteht, der Lizenzgeber unterstütze gerade Sie oder Ihre Nutzung besonders. Nicht kommerziell: Sie dürfen das Material nicht für kommerzielle Zwecke nutzen. Weitergabe unter gleichen Bedingungen: Wenn Sie das Material verändern oder anderweitig direkt darauf aufbauen, dürfen Sie Ihre Beiträge nur unter derselben Lizenz wie das Original verbreiten. Der Lizenzgeber kann diese Freiheiten nicht widerrufen solange Sie sich an die Lizenzbedingungen halten. Details: