Strahlungsmuster – Wikipedia

Posted on December 21, 2020 by lordneo

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Dreidimensionale Antennenstrahlungsmuster. Der radiale Abstand vom Ursprung in eine beliebige Richtung repräsentiert die Stärke der in diese Richtung emittierten Strahlung. Die Oberseite zeigt das Richtungsmuster einer Hornantenne, die Unterseite zeigt das omnidirektionale Muster einer einfachen vertikalen Antenne.

Im Bereich Antennendesign der Begriff Strahlungsmuster (oder Antennenmuster oder Fernfeldmuster) bezieht sich auf gerichtet (Winkel-) Abhängigkeit der Stärke der Funkwellen von der Antenne oder einer anderen Quelle.^[1]^[2]^[3]

Insbesondere in den Bereichen Faseroptik, Laser und integrierte Optik kann der Begriff Strahlungsmuster auch als Synonym für die verwendet werden Nahfeldmuster oder Fresnel-Muster.^[4] Dies bezieht sich auf die positionell Abhängigkeit des elektromagnetischen Feldes im Nahfeld oder im Fresnel-Bereich der Quelle. Das Nahfeldmuster wird am häufigsten über einer Ebene definiert, die vor der Quelle angeordnet ist, oder über einer zylindrischen oder sphärischen Oberfläche, die sie umgibt.^[1]^[4]

Das Fernfeldmuster einer Antenne kann experimentell in einem Antennenbereich bestimmt werden, oder alternativ kann das Nahfeldmuster unter Verwendung von a gefunden werden Nahfeldscannerund das daraus durch Berechnung abgeleitete Strahlungsmuster.^[1] Das Fernfeld-Strahlungsmuster kann auch aus der Antennenform durch Computerprogramme wie NEC berechnet werden. Andere Software wie HFSS kann ebenfalls das Nahfeld berechnen.

Das Fernfeld-Strahlungsmuster kann grafisch als Diagramm einer von mehreren verwandten Variablen dargestellt werden, einschließlich: die Feldstärke bei konstantem (großem) Radius (an Amplitudenmuster oder Feldmuster), die Leistung pro Raumwinkeleinheit (Leistungsmuster) und der Richtliniengewinn. Sehr oft wird nur die relative Amplitude aufgezeichnet, die entweder auf die Amplitude in der Antennenachse oder auf die gesamte abgestrahlte Leistung normiert ist. Die aufgetragene Größe kann auf einer linearen Skala oder in dB angezeigt werden. Das Diagramm wird normalerweise als dreidimensionales Diagramm (wie rechts) oder als separate Diagramme in der vertikalen und horizontalen Ebene dargestellt. Dies wird oft als bezeichnet Polardiagramm.

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Gegenseitigkeit[edit]

Es ist eine grundlegende Eigenschaft von Antennen, dass die Empfangsmuster (Empfindlichkeit als Funktion der Richtung) einer Antenne, wenn sie zum Empfangen verwendet wird, ist identisch mit dem Fernfeld-Strahlungsmuster der Antenne, wenn sie zum Senden verwendet wird. Dies ist eine Folge des Reziprozitätssatzes der Elektromagnetik und wird im Folgenden bewiesen. Daher kann bei Anträgen auf Strahlungsmuster die Antenne entweder als sendend oder empfangend angesehen werden, je nachdem, was bequemer ist. Beachten Sie jedoch, dass dies nur für die passiven Antennenelemente gilt. Aktive Antennen, die Verstärker oder andere Komponenten enthalten, sind keine wechselseitigen Geräte mehr.

Typische Muster[edit]

Typische Darstellung der polaren Strahlung. Die meisten Antennen zeigen ein Muster von “Lappen” oder Strahlungsmaxima. In einer hier gezeigten Richtantenne wird die größte Keule in der gewünschten Ausbreitungsrichtung als “Hauptkeule” bezeichnet. Die anderen Lappen werden “Nebenkeulen” genannt und repräsentieren normalerweise Strahlung in unerwünschte Richtungen.

Da elektromagnetische Strahlung Dipolstrahlung ist, ist es nicht möglich, eine Antenne zu bauen, die in alle Richtungen kohärent gleichmäßig strahlt, obwohl eine solche hypothetische isotrope Antenne als Referenz zur Berechnung des Antennengewinns verwendet wird.

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 omnidirektionale Muster bezeichnet werden. Sie strahlen in alle Richtungen senkrecht zur Antenne die gleiche Leistung aus, wobei die Leistung nur mit dem Winkel zur Achse variiert und auf der Antennenachse auf Null abfällt. Dies veranschaulicht das allgemeine Prinzip, dass wenn die Form einer Antenne symmetrisch ist, ihr Strahlungsmuster die gleiche Symmetrie aufweist.

Bei den meisten Antennen stört die Strahlung von den verschiedenen Teilen der Antenne in einigen Winkeln. Das Strahlungsmuster der Antenne kann als Interferenzmuster betrachtet werden. Dies führt zu einer Strahlung von Null in bestimmten Winkeln, in denen die Funkwellen aus den verschiedenen Teilen phasenverschoben ankommen, und zu lokalen Strahlungsmaxima in anderen Winkeln, in denen die Funkwellen in Phase ankommen. Daher zeigt das Strahlungsdiagramm der meisten Antennen ein Muster von Maxima, das als “Lappen“in verschiedenen Winkeln, getrennt durch”Nullen“bei dem 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, bei der das Ziel darin besteht, die Funkwellen in einer bestimmten Richtung zu emittieren, ist die Antenne so ausgelegt, dass sie den größten Teil ihrer Leistung in der in die gewünschte Richtung gerichteten Keule ausstrahlt. Daher erscheint dieser Lappen im Strahlungsdiagramm größer als die anderen; es heißt das “Hauptlappen“. Die Achse maximaler Strahlung, die durch die Mitte des Hauptlappens verläuft, wird als”Strahlachse” oder MittelachseIn einigen Antennen, wie beispielsweise Split-Beam-Antennen, kann es mehr als eine Hauptkeule geben. Die anderen Keulen neben der Hauptkeule, die unerwünschte Strahlung in andere Richtungen darstellen, werden Nebenkeulen genannt. Die Nebenkeulen sind in einem Winkel zu ausgerichtet der Hauptlappen heißt “Nebenkeulen“. Der Nebenlappen in der entgegengesetzten Richtung (180 °) vom Hauptlappen wird als”Hinterlappen“.

Nebenkeulen repräsentieren normalerweise Strahlung in unerwünschten Richtungen, daher besteht bei Richtantennen ein Entwurfsziel normalerweise darin, die Nebenkeulen zu reduzieren. Nebenlappen sind normalerweise die größten der Nebenlappen. Das Niveau 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 in vielen Anwendungen normalerweise nicht wünschenswert. 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.

Beweis der Gegenseitigkeit[edit]

Einen vollständigen Beweis finden Sie im Artikel über Reziprozität (Elektromagnetismus). Hier präsentieren wir einen gemeinsamen einfachen Beweis, der auf die Annäherung von zwei Antennen beschränkt ist, die im Vergleich zur Größe der Antenne in einem homogenen Medium durch einen großen Abstand voneinander getrennt sind. Die erste Antenne ist die Testantenne, deren Muster untersucht werden sollen; Diese Antenne kann frei in jede Richtung zeigen. 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 angenommen, dass die beiden Antennen so weit voneinander entfernt sind, dass die Eigenschaften der Sendeantenne nicht durch die von der Empfangsantenne auf sie ausgeübte Last beeinflusst werden. Folglich kann die vom Sender zum Empfänger übertragene Leistungsmenge als Produkt zweier unabhängiger Faktoren ausgedrückt werden; eine abhängig von den Richtungseigenschaften der Sendeantenne und die andere abhängig von den Richtungseigenschaften der Empfangsantenne.

Für die Sendeantenne gilt nach der Definition der Verstärkung

{ displaystyle G}

$G$ die Strahlungsleistungsdichte in einiger Entfernung

{ displaystyle r}

$r$ von der Antenne (dh der Strom, der durch den Gerätebereich fließt) ist

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

Hier die Winkel

{ displaystyle theta}

$Theta$ und

{ displaystyle Phi}

$Phi$ eine Richtungsabhängigkeit von der Antenne anzeigen und

{ displaystyle P_ {t}}

$P _ {{t}}$ steht für die Leistung, die der Sender in eine angepasste Last liefern würde. Der Gewinn

{ displaystyle G}

$G$ kann in drei Faktoren unterteilt werden; der Antennengewinn (die gerichtete Umverteilung der Leistung), die Strahlungseffizienz (unter Berücksichtigung der ohmschen Verluste in der Antenne) und schließlich der Verlust aufgrund einer Nichtübereinstimmung zwischen Antenne und Sender. Um die Nichtübereinstimmung einzuschließen, sollte sie streng genommen als bezeichnet werden realisierter Gewinn,^[4] Dies ist jedoch keine übliche Verwendung.

Für die Empfangsantenne beträgt die an den Empfänger gelieferte Leistung

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

Hier

{ displaystyle W}

$W.$ ist die Leistungsdichte der einfallenden Strahlung und

{ displaystyle A}

$EIN$ ist die Antennenapertur oder der effektive Bereich der Antenne (der Bereich, den die Antenne einnehmen müsste, um die beobachtete erfasste Leistung abzufangen). Die Richtungsargumente beziehen sich jetzt und wieder auf die Empfangsantenne

{ displaystyle A}

$EIN$ wird angenommen, um ohmsche Verluste und Fehlanpassungsverluste einzuschließen.

Wenn diese Ausdrücke zusammengefügt werden, beträgt die vom Sender zum Empfänger übertragene Leistung

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

{ displaystyle G}

$G$ und

{ displaystyle A}

$EIN$ sind richtungsabhängige Eigenschaften der Sende- bzw. Empfangsantenne. Zur Übertragung von der Referenzantenne (2) zur Prüfantenne (1)

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

und zur Übertragung in die entgegengesetzte Richtung

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

Hier der Gewinn

{ displaystyle G_ {2}}

$G _ {{2}}$ und effektive Fläche

{ displaystyle A_ {2}}

$A_ {2}$ der Antenne 2 sind fest, da die Ausrichtung dieser Antenne in Bezug auf die erste fest ist.

Für eine gegebene Anordnung der Antennen erfordert der Reziprozitätssatz nun, dass die Leistungsübertragung in jeder Richtung gleich wirksam ist, d. H.

{ displaystyle { frac {P_ {1r}} {P_ {2t}}} = { frac {P_ {2r}} {P_ {1t}}}

woher

{ displaystyle { frac { mathrm {A_ {1}} ( theta, Phi)} { mathrm {G_ {1}} ( theta, Phi)}} = { frac {A_ {2} } {G_ {2}}}}

Die rechte Seite dieser Gleichung ist jedoch fest (weil die Ausrichtung der Antenne 2 fest ist) und so weiter

{ displaystyle { frac { mathrm {A_ {1}} ( theta, Phi)} { mathrm {G_ {1}} ( theta, Phi)}} = mathrm {Konstante}}

dh die Richtungsabhängigkeit der (empfangenden) effektiven Apertur und der (sendenden) Verstärkung sind identisch (QED). Darüber hinaus 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

{ displaystyle { frac { lambda ^ {2}} {4 pi}}}

${ frac { lambda ^ {{2}}} {4 pi}}$ , wo

{ displaystyle lambda}

$lambda$ ist die Freiraumwellenlänge. Daher hängen für jede Antenne die Verstärkung und die effektive Apertur durch zusammen

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

Selbst für eine Empfangsantenne ist es üblicher, die Verstärkung anzugeben, als die effektive Apertur anzugeben. Die an den Empfänger gelieferte Leistung wird daher üblicherweise als geschrieben

{ 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[edit]

Bei der Bestimmung des Musters einer Empfangsantenne durch Computersimulation ist es nicht erforderlich, für jeden möglichen Einfallswinkel eine Berechnung durchzuführen. Stattdessen wird das Strahlungsmuster der Antenne durch eine einzelne Simulation bestimmt und das Empfangsmuster durch Reziprozität abgeleitet.
Bei der Bestimmung des Musters einer Antenne durch Messung kann die Antenne entweder empfangen oder senden, je nachdem, was zweckmäßiger ist.
Für eine praktische Antenne sollte der Nebenkeulenpegel minimal sein, es ist erforderlich, die maximale Richtwirkung zu haben.^[5]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

^ ^ein ^b ^c Constantine A. Balanis: “Antennentheorie, Analyse und Design”, John Wiley & Sons, Inc., 2. Aufl. 1982 ISBN 0-471-59268-4
^ David K Cheng: “Feld- und Wellenelektromagnetik”, Addison-Wesley Publishing Company Inc., Ausgabe 2, 1998. ISBN 0-201-52820-7
^ Edward C. Jordan und Keith G. Balmain; “Elektromagnetische Wellen und Strahlungssysteme” (2. Aufl. 1968) Prentice-Hall. ISBN 81-203-0054-8
^ ^ein ^b ^c Institut für Elektro- und Elektronikingenieure, „Das IEEE-Standardwörterbuch für elektrische und elektronische Begriffe“; 6. Aufl. New York, NY, Institut für Elektro- und Elektronikingenieure, c1997. IEEE Std 100-1996. ISBN 1-55937-833-6 [ed. Standards Coordinating Committee 10, Terms and Definitions; Jane Radatz, (chair)]
^ Singh, Urvinder; Salgotra, Rohit (20. Juli 2016). “Synthese eines linearen Antennenarrays unter Verwendung eines Blütenbestäubungsalgorithmus”. Neuronales Rechnen und Anwendungen. 29 (2): 435–445. doi:10.1007 / s00521-016-2457-7.

Dieser Artikel enthält gemeinfreies Material aus dem Dokument zur Verwaltung allgemeiner Dienste: “Federal Standard 1037C”. (zur Unterstützung von MIL-STD-188)

Externe Links[edit]

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Beweis der Gegenseitigkeit[edit]

Praktische Konsequenzen[edit]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

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