Strahlungsmuster - Radiation pattern

Dreidimensionale Antennenstrahlungsmuster. Der radiale Abstand vom Ursprung in einer beliebigen Richtung repräsentiert die Stärke der in diese Richtung emittierten Strahlung. Oben ist die Richtcharakteristik einer Hornantenne zu sehen , unten die Rundstrahlcharakteristik einer einfachen Vertikalantenne .

Auf dem Gebiet des Antennendesigns bezieht sich der Begriff Strahlungsdiagramm (oder Antennendiagramm oder Fernfelddiagramm ) auf die Richtungs- (Winkel-)Abhängigkeit der Stärke der Funkwellen von der Antenne oder einer anderen Quelle.

Insbesondere in den Bereichen der Faseroptik , Laser , und integrierte Optik kann der Begriff Abstrahlcharakteristik auch als Synonym für das verwendet wird Nahfeld - Muster oder Fresnel - Muster . Dies bezieht sich auf die Positionsabhängigkeit des elektromagnetischen Feldes im Nahfeld oder Fresnel-Bereich der Quelle. Das Nahfeldmuster wird am häufigsten über eine vor der Quelle platzierte Ebene oder über eine sie umgebende zylindrische oder kugelförmige Oberfläche definiert.

Die Fernfeldcharakteristik einer Antenne kann experimentell in einer Antennenreichweite bestimmt werden oder alternativ kann die Nahfeldcharakteristik mit einem Nahfeldscanner gefunden und die Strahlungscharakteristik daraus rechnerisch abgeleitet werden. Das Fernfeld-Strahlungsdiagramm kann auch von Computerprogrammen wie NEC aus der Antennenform berechnet werden . Andere Software wie HFSS kann auch das Nahfeld berechnen.

Das Fernfeld-Strahlungsmuster kann grafisch als ein Diagramm einer einer Anzahl von verwandten Variablen dargestellt werden, einschließlich; die Feldstärke bei einem konstanten (großen) Radius (ein Amplitudenmuster oder Feldmuster ), die Leistung pro Raumwinkeleinheit ( Leistungsmuster ) und die Richtverstärkung . Sehr oft wird nur die relative Amplitude aufgetragen, entweder normiert auf die Amplitude an der Antenne Justierungs , oder auf die gesamte abgestrahlte Leistung. Die aufgetragene Größe kann auf einer linearen Skala oder in dB angezeigt werden . Der Plot wird normalerweise als dreidimensionaler Graph (wie rechts) oder als separate Graphen in der vertikalen und horizontalen Ebene dargestellt . Dies wird oft als Polardiagramm bezeichnet .

Gegenseitigkeit

Es ist eine grundlegende Eigenschaft von Antennen, dass das Empfangsmuster (Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Richtung) einer Antenne beim Empfangen mit dem Fernfeld-Strahlungsdiagramm der Antenne beim Senden identisch ist . Dies ist eine Folge des Reziprozitätssatzes der Elektromagnetik und wird im Folgenden bewiesen. Daher kann bei Diskussionen über Strahlungsmuster die Antenne entweder als sendend oder als empfangend betrachtet werden, je nachdem, was bequemer ist. Dies gilt nur für die passiven Antennenelemente; aktive Antennen, die Verstärker oder andere Komponenten enthalten, sind keine reziproken Geräte mehr.

Typische Muster

Typisches Polarstrahlungsdiagramm. Die meisten Antennen zeigen ein Muster von "Keulen" oder Strahlungsmaxima. Bei einer hier gezeigten Richtantenne wird die größte Keule in der gewünschten Ausbreitungsrichtung als " Hauptkeule " bezeichnet. Die anderen Keulen werden als „ Nebenkeulen “ bezeichnet und repräsentieren in der Regel Strahlung in unerwünschter Richtung.

Da elektromagnetische Strahlung ist Dipolstrahlungsrichtung , ist es nicht möglich , eine Antenne zu bauen , die kohärent abstrahlt gleichmäßig in alle Richtungen, obwohl eine solche hypothetische isotropen Antenne als Referenz verwendet wird , berechnen Antennengewinn .

Die einfachsten Antennen, Monopol- und Dipolantennen , bestehen aus einem oder zwei geraden Metallstäben entlang einer gemeinsamen Achse. Diese axialsymmetrischen Antennen haben Strahlungsmuster mit einer ähnlichen Symmetrie, die als Rundstrahlmuster bezeichnet werden; sie strahlen in alle Richtungen senkrecht zur Antenne die gleiche Leistung ab, wobei die Leistung nur mit dem Winkel zur Achse variiert und auf der Achse der Antenne auf Null abfällt. Dies veranschaulicht das allgemeine Prinzip, dass, wenn die Form einer Antenne symmetrisch ist, ihr Strahlungsdiagramm dieselbe Symmetrie hat.

Bei den meisten Antennen interferiert die Strahlung von den verschiedenen Teilen der Antenne in einigen Winkeln; das Strahlungsdiagramm der Antenne kann als Interferenzmuster betrachtet werden . Dies führt zu einer Nullstrahlung bei bestimmten Winkeln, bei denen die Funkwellen von den verschiedenen Teilen phasenverschoben ankommen , und zu lokalen Strahlungsmaxima bei anderen Winkeln, bei denen die Funkwellen phasengleich ankommen . Daher zeigt das Strahlungsdiagramm der meisten Antennen ein Muster von Maxima, die als „ Keulen “ bezeichnet werden, bei verschiedenen Winkeln, getrennt durch „ Nullen “, bei denen die Strahlung auf Null geht. Je größer die Antenne im Vergleich zu einer Wellenlänge ist, desto mehr Keulen gibt es.

Ein rechteckiges Strahlungsdiagramm, eine alternative Darstellungsmethode zu einem Polardiagramm.

Bei einer Richtantenne , deren Ziel darin besteht, die Funkwellen in eine bestimmte Richtung auszusenden, ist die Antenne so ausgelegt, dass sie den größten Teil ihrer Leistung in die in die gewünschte Richtung gerichtete Keule abstrahlt. Daher erscheint dieser Keulen im Strahlungsdiagramm größer als die anderen; er wird als „ Hauptlappen “ bezeichnet. Die Achse der maximalen Strahlung, die durch die Mitte der Hauptkeule verläuft, wird als „ Strahlachse “ oder Justierungs Achse “. In einigen Antennen, wie beispielsweise Split-Strahlantennen, kann es mehr als eine Hauptkeule vorhanden ist . Die anderen Keulen Neben der Hauptkeule, die unerwünschte Strahlung in andere Richtungen darstellt, werden Nebenkeulen genannt. Die schräg zur Hauptkeule ausgerichteten Nebenkeulen werden als " Nebenkeulen " bezeichnet. Die Nebenkeule in der entgegengesetzten Richtung (180°) von der Hauptkeule wird als „ Rücklappen “ bezeichnet.

Kleinere Keulen stellen normalerweise Strahlung in unerwünschte Richtungen dar, daher besteht bei Richtantennen normalerweise das Designziel darin, die kleineren Keulen zu reduzieren. Nebenkeulen sind normalerweise die größten der Nebenkeulen. Der Pegel der Nebenkeulen wird üblicherweise als Verhältnis der Leistungsdichte in der fraglichen Keule zu der der Hauptkeule ausgedrückt. Dieses Verhältnis wird oft als Nebenkeulenverhältnis oder Nebenkeulenpegel bezeichnet. Nebenkeulenpegel von –20 dB oder mehr sind bei vielen Anwendungen normalerweise nicht erwünscht. Das Erreichen eines Nebenkeulenpegels von weniger als –30 dB erfordert normalerweise eine sehr sorgfältige Konstruktion und Konstruktion. In den meisten Radarsystemen sind beispielsweise niedrige Nebenkeulenverhältnisse sehr wichtig, um falsche Zielanzeigen durch die Nebenkeulen zu minimieren.

Nachweis der Gegenseitigkeit

Teil einer Serie über
Antennen
Übliche Formen Dipol Fraktale Schleife Monopol Satellitenschüssel Fernsehen Peitsche
Komponenten Balun Hochkonverter blockieren Koaxialkabel Gegengewicht (Bodensystem) Zufuhr Zuleitung Rauscharmer Block-Downconverter Passivstrahler Empfänger Rotator Stub Sender Tuner Doppelleitung
Systeme Antennenfarm Amateurfunk Mobilfunk Hotspot Städtisches drahtloses Netzwerk Radio Funkmasten und Türme W-lan Kabellos
Sicherheit und Regulierung Strahlung und Gesundheit von drahtlosen Geräten Drahtlose elektronische Geräte und Gesundheit Internationale Fernmeldeunion ( Funkregulierung ) Weltfunkkonferenz
Strahlungsquellen / Regionen Ausrichtung Fokuswolke Grundfläche Hauptlappen Nah- und Fernfeld Nebenkeulen Vertikale Ebene
Eigenschaften Array-Verstärkung Richtwirkung Effizienz Elektrische Länge Äquivalenter Radius Faktor Friis-Übertragungsgleichung Gewinnen Höhe Strahlungsmuster Strahlenbeständigkeit Funkausbreitung Funkspektrum Signal-Rausch-Verhältnis Störemission
Techniken Strahllenkung Strahlneigung Strahlformung Kleine Zelle Bell Laboratories Layered Space-Time (BLAST) Massive Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Neukonfiguration Breites Spektrum Wideband Space Division Multiple Access (WSDMA)
v T e

Einen vollständigen Beweis finden Sie im Artikel über Reziprozität (Elektromagnetismus) . Hier präsentieren wir einen gemeinsamen einfachen Beweis, der auf die Annäherung von zwei Antennen, die im Vergleich zur Größe der Antenne durch einen großen Abstand getrennt sind, in einem homogenen Medium beschränkt ist. Die erste Antenne ist die Testantenne, deren Muster untersucht werden sollen; Diese Antenne kann in jede Richtung ausgerichtet werden. Die zweite Antenne ist eine Referenzantenne, die starr auf die erste Antenne zeigt.

Jede Antenne ist abwechselnd mit einem Sender mit einer bestimmten Quellenimpedanz und einem Empfänger mit derselben Eingangsimpedanz verbunden (die Impedanz kann zwischen den beiden Antennen unterschiedlich sein).

Es wird davon ausgegangen, dass die beiden Antennen weit genug voneinander entfernt sind, dass die Eigenschaften der Sendeantenne durch die Belastung durch die Empfangsantenne nicht beeinflusst werden. Folglich kann die vom Sender zum Empfänger übertragene Leistungsmenge als das Produkt zweier unabhängiger Faktoren ausgedrückt werden; eine hängt von den Richteigenschaften der Sendeantenne ab und die andere hängt von den Richteigenschaften der Empfangsantenne ab.

Für die Sendeantenne ist nach der Definition des Gewinns die Strahlungsleistungsdichte in einem Abstand von der Antenne (dh die Leistung, die durch die Einheitsfläche geht) ${\displaystyle G}$${\displaystyle r}$

${\displaystyle \mathrm{W} (\theta,\Phi)={\frac{\mathrm{G} (\theta,\Phi)}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$.

Hier geben die Winkel und eine Richtungsabhängigkeit der Antenne an und stehen für die Leistung, die der Sender an eine angepasste Last abgeben würde. Der Gewinn kann in drei Faktoren unterteilt werden; der Antennengewinn (die gerichtete Umverteilung der Leistung), der Strahlungswirkungsgrad (unter Berücksichtigung der ohmschen Verluste in der Antenne) und schließlich der Verlust aufgrund der Fehlanpassung zwischen Antenne und Sender. Um die Fehlanpassung einzubeziehen, sollte sie streng genommen als realisierter Gewinn bezeichnet werden , aber dies ist nicht üblich. ${\displaystyle\theta}$${\displaystyle \Phi}$${\displaystyle P_{t}}$${\displaystyle G}$

Für die Empfangsantenne beträgt die an den Empfänger gelieferte Leistung

${\displaystyle P_{r}=\mathrm{A} (\theta,\Phi)W\,}$.

Hier ist die Leistungsdichte der einfallenden Strahlung und die Antennenapertur oder die effektive Fläche der Antenne (die Fläche, die die Antenne einnehmen müsste, um die beobachtete eingefangene Leistung abzufangen). Die Richtungsargumente beziehen sich nun auf die Empfangsantenne und werden wiederum mit ohmschen Verlusten und Fehlanpassungsverlusten berücksichtigt. ${\displaystyle W}$${\displaystyle A}$${\displaystyle A}$

Wenn man diese Ausdrücke zusammensetzt, ist die vom Sender zum Empfänger übertragene Leistung

${\displaystyle P_{r}=A{\frac {G}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$,

wobei und richtungsabhängige Eigenschaften der Sende- bzw. Empfangsantennen sind. Zur Übertragung von der Referenzantenne (2) zur Testantenne (1), also ${\displaystyle G}$${\displaystyle A}$

${\displaystyle P_{1r}=\mathrm{A_{1}} (\theta,\Phi){\frac {G_{2}}{4\pi r^{2}}}P_{2t}}$,

und für die Übertragung in die entgegengesetzte Richtung

${\displaystyle P_{2r}=A_{2}{\frac {\mathrm {G_{1}} (\theta,\Phi)}{4\pi r^{2}}}P_{1t}}$.

Hier sind der Gewinn und die effektive Fläche der Antenne 2 festgelegt, da die Ausrichtung dieser Antenne in Bezug auf die erste festgelegt ist. ${\displaystyle G_{2}}$${\displaystyle A_{2}}$

Für eine gegebene Anordnung der Antennen verlangt das Reziprozitätstheorem , dass die Leistungsübertragung in jede Richtung gleich effektiv ist, d

${\displaystyle {\frac {P_{1r}}{P_{2t}}}={\frac {P_{2r}}{P_{1t}}}}$,

woher

${\displaystyle {\frac {\text{A_{1}} (\theta,\Phi)}{\text{G_{1}} (\theta,\Phi)}}={\frac{A_{2} }{G_{2}}}}$.

Aber die rechte Seite dieser Gleichung ist fest (da die Ausrichtung von Antenne 2 fest ist), und so

${\displaystyle {\frac {\text{A_{1}} (\theta,\Phi)}{\text{G_{1}} (\theta,\Phi)}}=\text{konstante}}$,

dh die Richtungsabhängigkeit der (empfangenden) effektiven Apertur und der (sendenden) Verstärkung sind identisch (QED). Außerdem ist die Proportionalitätskonstante unabhängig von der Art der Antenne gleich und muss daher für alle Antennen gleich sein. Die Analyse einer bestimmten Antenne (wie eines Hertzschen Dipols ) zeigt, dass diese Konstante ist , wobei die Freiraumwellenlänge ist. Daher stehen für jede Antenne der Gewinn und die effektive Apertur in Beziehung zu ${\displaystyle {\frac {\lambda^{2}}{4\pi}}}$${\displaystyle \lambda}$

${\displaystyle \mathrm{A} (\theta,\Phi)={\frac{\lambda^{2}\mathrm{G} (\theta,\Phi)}{4\pi}}}$.

Auch bei einer Empfangsantenne ist es üblicher, den Gewinn anzugeben, als die effektive Apertur anzugeben. Die an den Empfänger gelieferte Leistung wird daher häufiger als

${\displaystyle P_{r}={\frac {\lambda^{2}G_{r}G_{t}}{(4\pi r)^{2}}}P_{t}}$

(siehe Linkbudget ). Die effektive Apertur ist jedoch für den Vergleich mit der tatsächlichen physikalischen Größe der Antenne von Interesse.

Praktische Konsequenzen

• Bei der Bestimmung des Musters einer Empfangsantenne durch Computersimulation ist es nicht notwendig, für jeden möglichen Einfallswinkel eine Berechnung durchzuführen. Stattdessen wird das Strahlungsmuster der Antenne durch eine einzige Simulation bestimmt und das Empfangsmuster durch Reziprozität abgeleitet.
• Wenn das Muster einer Antenne durch Messung bestimmt wird , kann die Antenne entweder empfangen oder senden, je nachdem, was bequemer ist.
• Für eine praktische Antenne sollte der Nebenkeulenpegel minimal sein, es ist notwendig, die maximale Richtwirkung zu haben.

Siehe auch

• E-Ebene und H-Ebene

Verweise

 Dieser Artikel enthält  gemeinfreies Material aus dem Dokument General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .(zur Unterstützung von MIL-STD-188 )

Externe Links

• Antennenstrahlungsmuster verstehen und verwenden Von Joseph H. Reisert
• Erklärung des Begriffs „ Zwei-Wege-Strahlbreite “