DARC AJW Referat

Sebastian Hantscher – DL8BFV

Michael Funke – DL4EAX

Kapitel 1.8.2Fragen TH201 bis TH232

DARC AJW Referat

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.

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CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=350164

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

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Bildquelle: Sebastian Hantscher – DL8BFV, eigenes Werk

Von And1mu - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49759107

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.

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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 =RS

RS+RV

Dieser ist besonders bei stark verkürzten Antennen (für 80 m oder 160 m Band) leider sehr niedrig.

Bildquelle: Von Frank Murmann, Gemeinfrei

https://de.wikipedia.org/wiki/Antennentechnik#/media/File:Impedanz.svg

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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.

Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk

PS

PS Piso

PAnt

Antennengewinn G

𝐺 = 10 ∙ 𝑙𝑔𝑃𝐴𝑛𝑡

𝑃𝑖𝑠𝑜in dBi 𝐺 = 10 ∙ 𝑙𝑔

𝑃𝐴𝑛𝑡

𝑃𝑖𝑠𝑜− 2,15 in dBd

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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=

𝑃𝑆𝑑𝐵𝑚

+𝐺

𝑑𝐵𝑖

Wird als Bezug wieder der Halbwellendipol herangezogen, so spricht man der

äquivalenten Strahlungsleistung ERP.

𝐸𝑅𝑃

𝑑𝐵𝑚=

𝑃𝑆

𝑑𝐵𝑚+

𝐺

𝑑𝐵𝑑

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Allgemein unterscheidet man dabei die Hauptkeule, Nebenkeule und Rückkeulesowie die Nebenkeulendämpfung, das Vor-Rück-Verhältnis und den Öffnungs-winkel (Halbwertsbreite) der Hauptkeule in Azimut- und Elevationsrichtung (–3 dB).

Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk

0 dB

-10 dB

-20 dB

-30 dB

-40 dB

-50 dB

-60 dB 0°

10°

20°

30°

40°

50°

60°70°

80°90°100°110°

120°

130°

140°

150°

160°

170°

180°

190°

200°

210°

220°

230°

240°250°

260° 270°280°290°

300°

310°

320°

330°

340°

350°

-150 -100 -50 0 50 100 150-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Azimut (°)

dB

-3

Vor-Rück-

Verhältnis

= 26 dB

Nebenkeulen-

dämpfung

= 12 dB

Öffnungs-

winkel

= 14°

14°

-7° 7°

Nebenkeulen-

dämpfung

= 12 dB

Vor-Rück-

Verhältnis

= 26 dB

-3 dB

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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.

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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: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk

Bildquelle: radartutorial.eu, CC BY-SA 3.0

http://www.radartutorial.eu/06.antennas/pic/zirkulanim.gif

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Ein Sender mit 50 Ω Ausgang speist Leistung in ein Koaxialkabel mit 50 ΩWellenwiderstand ein. Weicht die Fußpunktimpedanz der Antenne aber von 50 Ωab, 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.

Von Pyrometer - Eigenes Werk, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22541947

Z0 ZL ≠ Z0

RG = Z0

Umax

Umin

𝑟 =𝑍𝐿 − 𝑍0𝑍𝐿 − 𝑍0

𝑉𝑆𝑊𝑅 =1 + 𝑟

1 − 𝑟

𝑉𝑆𝑊𝑅 =𝑈𝑚𝑎𝑥

𝑈𝑚𝑖𝑛

Reflexionsfaktor

Stehwellenverhältnis

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Die Messung des VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) erfolgt mit einem Kreuzzeigerinstrument oder auch intern am Transceiver. Auch externe handliche Antennenanalyzerzeigen das VSWR an.

linker Zeiger: hinlaufende Leistungrechter Zeiger: reflektierte LeistungSchnittpunkt: VSWR

Eine perfekt angepasste Antenne hatein 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 VSWRzu groß, so wird die Sendeleistungreduziert, um die Endstufe nicht zuüberlasten.

Bildquellen: Michael Funke – DL4EAX

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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.

𝑟 =𝑍𝐿 − 𝑍0𝑍𝐿 − 𝑍0

Reflexionsfaktor

𝑃𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 1 − 𝑟 2 ∙ 𝑃ℎ𝑖𝑛= 1 − 0,5 2 ∙ 𝑃ℎ𝑖𝑛= 0,75∙ 𝑃ℎ𝑖𝑛

𝑉𝑆𝑊𝑅 =1 + 𝑟

1 − 𝑟𝑉𝑆𝑊𝑅 ∙ 1 − 𝑟 =1 + 𝑟

𝑉𝑆𝑊𝑅 − 𝑉𝑆𝑊𝑅 ∙ 𝑟 = 1 + 𝑟

−𝑉𝑆𝑊𝑅 ∙ 𝑟 − 𝑟 = 1 − 𝑉𝑆𝑊𝑅

𝑟 =3−1

3+1=0,5

Bildquelle: Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen

Fragenkatalog Prüfungsfragen „Technische Kenntnisse“ Klasse E 1. Auflage, September 2006

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