Antennendiagramm

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Antennendiagramm
Dreidimensional dargestellte Strahlungscharakteristik einer Schlitzantenne (Ergebnis einer Computersimulation)

Ein Antennendiagramm ist die grafische Darstellung der Strahlungscharakteristik einer Antenne (Intensit√§t, Feldst√§rke, Polarisation, Phase, Laufzeitunterschiede) in einem r√§umlichen Koordinatensystem. Antennendiagramme werden messtechnisch aufgenommen oder durch Simulationsprogramme am Computer generiert, um die Richtwirkung einer Antenne grafisch darzustellen und so deren Leistungsf√§higkeit einzusch√§tzen. Sie k√∂nnen als Oberfl√§che in dreidimensionalen Kugelkoordinaten oder f√ľr einen fl√§chenhaften Schnitt als Liniendiagramm in kartesischen oder Polarkoordinaten dargestellt werden. Ein Antennendiagramm, welches die Richtcharakteristik einer Antenne darstellt, wird auch Richtdiagramm genannt. Es stellt die relative Intensit√§t der Energieabstrahlung oder die elektrische oder magnetische Feldst√§rke im Fernfeld in Abh√§ngigkeit von der Richtung zur Antenne dar.

Reales horizontales Antennendiagramm einer Parabolantenne in Polarkoordinaten, Ergebnis einer Messreihe
Antennendiagramm einer Parabolantenne mit einem Cosecans²-Diagramm in einem kartesischen Koordinatensystem

W√§hrend eine Rundstrahlantenne gleichm√§√üig in alle Richtungen einer Ebene strahlt, bevorzugt eine Richtantenne eine Richtung und erzielt daher in dieser bei geringerer Sendeleistung eine gr√∂√üere Reichweite. Das Antennendiagramm stellt die messtechnisch oder rechnerisch ermittelte Bevorzugung grafisch dar. Aufgrund der Reziprozit√§t ‚Äď die gleiche Sende- und Empfangseigenschaften der Antenne gew√§hrleistet ‚Äď zeigt das Diagramm sowohl die richtungsabh√§ngige Sendeleistung als auch die Empfangsempfindlichkeit einer Antenne an. Die meistens durch ein Messprogramm gezeichnete Kurve zeigt also bei einer Sendeantenne ma√üstabsgerecht die Orte mit gleicher Leistungsdichte rings um die Sendeantenne herum an. Bei Empfangsantennen bedeutet die gleiche Kurve die gemessene Empfindlichkeit f√ľr ein konstantes Hochfrequenzfeld. Ein kleiner Messsender wird also in konstanter Entfernung um die Empfangsantenne herum bewegt und die Leistung, die von der Antenne empfangen wird, wird als Wert in das Diagramm eingetragen.

Inhaltsverzeichnis

Horizontales Antennendiagramm

Horizontale Antennendiagramme stellen die Richtcharakteristik lediglich f√ľr die horizontalen Richtungen dar, meist in Polarkoordinaten, also mit der Antenne im Mittelpunkt. Es ist ein horizontaler Schnitt durch das dreidimensionale Diagramm. Teile des Antennendiagramms, die durch relative Minima begrenzt werden, bezeichnet man gem√§√ü ihrem Aussehen in Polarkoordinaten als Keulen:

  • Die Hauptkeule ist das globale Maximum und enth√§lt die Hauptstrahlungsrichtung;
  • Nebenkeulen sind ausgepr√§gte lokale Maxima enthalten die meist ungewollte Strahlung in eine andere Richtung als die Hauptrichtung;
  • Eine R√ľckkeule ist eine Nebenkeule direkt oder in einem weiten Bereich entgegengesetzt zur Hauptkeule;
  • Gitterkeulen sind periodisch auftretende starke Nebenkeulen.

Antennendiagramme werden oft logarithmisch in Dezibel aufgetragen, da die Nebenkeulen um mehrere Größenordnungen kleiner sein können als die Hauptkeule und bei linearer Auftragung nicht zu erkennen wären.

Da die Richtwirkung von Antennen frequenzabh√§ngig ist, kann als eine Sonderform des Antennendiagramms ein umh√ľllendes Antennendiagramm erstellt werden. Solche Sonderformen von Antennendiagrammen werden bei der Beurteilung von Strahlungsbelastungen durch Feldst√§rken ben√∂tigt. Hier werden die gemessenen Diagramme der h√∂chsten und der niedrigsten Frequenz aufeinandergelegt und aus den h√∂chsten Einzelwerten f√ľr jeden Seitenwinkel ein neues Diagramm gebildet. Bei einem durch Montagetoleranzen aufgeweiteten Antennendiagramm wird das gemessene oder das bereits als umh√ľllendes Antennendiagramm erstellte Diagramm drei Mal √ľbereinandergelegt: einmal in der urspr√ľnglichen Orientierung und je einmal um die Montagetoleranz im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Aus h√∂chsten Einzelwerten f√ľr jeden Seitenwinkel wird wiederum ein neues Diagramm gebildet.[1]

Aus einem Antennendiagramm sind viele Parameter ablesbar, welche die Qualität und Richtwirkung der dargestellten Antenne bestimmen:

Vertikales Antennendiagramm

Reales vertikales Polar-Antennendiagramm einer Parabolantenne mit einem Cosecans²-Diagramm, Ergebnis einer Messung des Solarrauschens

Ein vertikales Antennendiagramm ist eine Seitenansicht des elektromagnetischen Feldes der Antenne. Die Bema√üung des Antennendiagramms ist also die Entfernung zur Antenne in der x-Achse und H√∂he √ľber dem Standort der Antenne in der y-Achse.

In dem Diagramm ist an der vertikalen Achse (y-Achse) die H√∂he in Fu√ü (engl. feet, ft) angetragen, in der horizontalen Achse (x-Achse) die Entfernung in Nautischen Meilen (Nm), beides Ma√üeinheiten, die bei einem Flugsicherungsradar verwendet werden. Die Ma√üeinheiten spielen im Diagramm eine Rolle f√ľr das Ma√üstabsverh√§ltnis der Achsen. Bei den Messwerten handelt es sich jedoch um relative Pegel, die mit den Entfernungswerten der Achsen nichts zu tun haben.

Die strahlenf√∂rmigen Geraden aus dem Ursprung sind die H√∂henwinkelmarken, gezeichnet in ‚ÄěEin-Grad-Schritten‚Äú. Durch die √úberh√∂hung, das hei√üt, die vertikale Achse hat einen anderen Ma√üstab als die horizontale Achse, sind die Abst√§nde zwischen den H√∂henwinkelmarken ungleich.

Die an der vertikalen Achse angetragenen H√∂hen werden in das Diagramm nicht nur als Raster, sondern auch als gepunktete Linien hineinprojiziert, wobei diese die reale H√∂he √ľber Grund andeuten und somit keine Geraden, sondern gem√§√ü der Erdkr√ľmmung leicht nach unten abfallende Linien sind.

Das Diagramm ist ein reales Cosecans¬≤-Diagramm eines Airport Surveillance Radars. Die ‚Äěausgefranste‚Äú, vom Ursprung weit entfernte Flanke des Diagramms, zeigt den Einfluss der Erdoberfl√§che auf das Diagramm (siehe Fresnelzone), da diese Antenne leider etwas zu tief aufgebaut wurde.

Räumliche Richtcharakteristik

Zeichnerische Darstellung der räumlichen Richtcharakteristik eines Dipols

Werden 2D-Antennendiagramme vieler Schnittebenen zu einem r√§umlichen Gebilde zusammengestellt, entsteht eine dreidimensionale Richtcharakteristik. Der Abstand vom Mittelpunkt der Antenne zu jedem Punkt der Oberfl√§che dieses K√∂rpers gibt die in dieser Richtung bei gleichen Abst√§nden gemessene Intensit√§t an. Die Aufnahme solcher r√§umlicher Charakteristiken w√ľrde jedoch einen gro√üen messtechnischen Aufwand darstellen. Deswegen werden in der Praxis solche Antennendiagramme nur in Ausnahmef√§llen und dann auch nur in Ausschnitten erstellt. Mit Hilfe von Computern kann jedoch jede Antenne mit ihren r√§umlichen Charakteristiken in einem Modell simuliert werden.

Elemente eines Antennendiagramms

Hauptkeule

Antennendiagramm einer Parabolantenne (Ausschnitt)

Die Hauptkeule in einem Antennendiagramm weist bei Sendeantennen den Maximalbetrag der in eine Richtung gesendeten Energie oder bei Empfangsantennen die maximale Empfindlichkeit auf. Eine Richtantenne b√ľndelt diese Strahlung in eine Richtung und erh√∂ht hierdurch die Reichweite der Antenne. Diese Reichweitenerh√∂hung hei√üt Gewinn und wird als Verh√§ltnis der gemessenen Antenne zu den Werten eines Rundstrahlers angegeben. In einem Antennendiagramm wird dieser Antennengewinn nicht verwendet! Alle gemessenen und im Antennendiagramm grafisch dargestellten Werte sind auf den Maximalwert der Hauptkeule bezogen. Dieser wird mit 0 dB in das Diagramm eingetragen und alle anderen gemessenen Werte m√ľssen also negative Pegel (D√§mpfungen) sein. Es sind deshalb nur relative Werte. Der Antennengewinn ist dagegen ein absoluter Wert, da er auf ein geeichtes Ma√ü bezogen wird.

In den sehr einfachen Antennendiagrammen einer Dipolantenne (Antennendiagramm siehe dort) existieren nur zwei ausgeprägte Maxima, die entgegengesetzt gerichtet sind. In diesem Fall wird noch nicht von einer Hauptkeule gesprochen, da beide Maxima etwa gleich groß sind.

Nebenkeulen

Als Nebenkeule wird der Teil der elektromagnetischen Strahlung einer Antenne bezeichnet, der nicht in die gewollte Richtung abgestrahlt wird. Nebenkeulen sind meist unerw√ľnscht, weil sie einen Teil der Sendeleistung der Hauptkeule vorenthalten, diese dadurch schw√§chen und den eindeutigen Richteffekt einer Antenne beeintr√§chtigen. Bei einer Empfangsantenne k√∂nnen St√∂rungen, die √ľber Nebenkeulen empfangen werden, die Empfangsqualit√§t verschlechtern; sie werden von der Antenne nicht ausgeblendet. Bei Sendeantennen wird die Sendeleistung √ľber die Nebenkeulen ungenutzt in eine ungewollte Richtung abgestrahlt.

Durch geschickte Konstruktion einer Antenne l√§sst sich die Intensit√§t der Nebenkeulen verringern. Wenn die Empf√§ngerdynamik allerdings gr√∂√üer ist als die von der Antenne konstruktiv vorgegebene Nebenkeulend√§mpfung, werden auch √ľber die Nebenkeulen Signale empfangen. Um die Auswirkungen dieses ungewollten Empfanges zu verringern, werden bei der Radarortungstechnik zus√§tzliche Ma√ünahmen der Nebenkeulenunterdr√ľckung getroffen.

Gitterkeulen

Typisches Antennendiagramm einer Antenne mit starken Gitterkeulen

Gitterkeulen (engl.: Grating Lobes) sind Nebenkeulen, die annähernd die Größe der Hauptkeule erreichen und im Diagramm rasterartig verteilt sind. Sie entstehen manchmal bei Phased Array Antennen (und auch bei in der Sonografie genutzten Ultraschallsonden) und sind eine Folge eines zu großen und gleichmäßigen Abstandes der einzelnen Strahlerelemente untereinander im Verhältnis zur Wellenlänge. Bei einem guten Design eines Phased-Arrays mit optimal möglichem Abstand der Strahlerelemente sollten sie nicht auftreten, jedoch ist diese Forderung bei sehr großen Bandbreiten (UWB) schwer einzuhalten.

R√ľckkeule

Als R√ľckkeule wird in einem Antennendiagramm die Nebenkeule in der Richtung bezeichnet, die in die entgegengesetzte Richtung von der Hauptkeule zeigt. Sie ist meistens sehr viel kleiner als die Hauptkeule. Wenn die exakte entgegengesetzte Richtung im Antennendiagramm ein Strahlungsminimum aufweist, werden oft als R√ľckkeulen auch die Nebenkeulen bezeichnet, die sich innerhalb eines Winkels von ¬Ī15¬į von dieser exakten Richtung befinden.

Nullstellen

Die Punkte im Antennendiagramm, an denen die Strahlungsenergie praktisch null ist, werden als Nullstellen bezeichnet. Deren Lage im Koordinatensystem kann als Nullwertswinkel bezeichnet werden, der zwischen dem Maximum der Hauptkeule und der ersten Nullstelle gemessen wird. Eine Nullwertsbreite wird zwischen den ersten Nullstellen links und rechts von der Hauptkeule gemessen.

Aus dem Antennendiagramm ablesbare Parameter

Halbwertsbreite

Die Grenzwinkel einer Keule werden nach allgemeiner Konvention durch den Abfall der empfangenen Leistung bzw. der abgestrahlten Intensit√§t auf die H√§lfte des Maximalwertes definiert (Faktor 0,5 ‚Čą ‚ąí3 dB). Die Strahlbreite (Halbwertsbreite, √Ėffnungswinkel) ist die Spanne zwischen diesen Winkeln und wird meistens mit dem griechischen Buchstaben őė (Theta) bezeichnet. Die Hauptkeule der in nebenstehenden Diagrammen charakterisierten Parabolantenne hat eine Strahlbreite von 1,67¬į, ein sehr guter Wert f√ľr eine Radarantenne.

Nebenkeulendämpfung

Die Nebenkeulend√§mpfung ist einer der wesentlichen Parameter einer Antenne und stellt das Verh√§ltnis des Gewinns der Hauptkeule in 0¬į zum Pegel der gr√∂√üten Nebenkeule (hier im Diagramm etwa bei 20¬į) dar. Dieses Verh√§ltnis wird als relativer Pegel angegeben und sollte m√∂glichst gro√ü sein.

Vor-R√ľck-Verh√§ltnis

Das Vor-R√ľck-Verh√§ltnis (VRV, engl. front-to-back ratio), auch R√ľckd√§mpfung genannt, ist ein wesentlicher Parameter einer Antenne und stellt das Verh√§ltnis des gemessenen Pegels der Hauptkeule in 0¬į zum Pegel der R√ľckkeule in 180¬į dar. Dieses Verh√§ltnis wird als relativer Pegel angegeben und sollte m√∂glichst gro√ü sein. Das Vor-R√ľck-Verh√§ltnis ist neben der Nebenkeulend√§mpfung ein Ma√ü f√ľr die B√ľndelung einer Richtantenne: Je gr√∂√üer das Vor-R√ľck-Verh√§ltnis ist, desto besser ist die Antenne.

In einigen Ver√∂ffentlichungen wird das VRV nicht nur auf diese eine R√ľckkeule bezogen, sondern es werden unter dem Begriff Vor-R√ľck-Verh√§ltnis alle Nebenkeulen zwischen 90¬į und 270¬į betrachtet und f√ľr die Bestimmung des VRV wird nur die st√§rkste Nebenkeule aus diesem Winkelbereich verwendet. Das ist zum Beispiel sinnvoll, wenn eine Antenne im Winkel von 180¬į ein ausgepr√§gtes Minimum aufweist und sich die R√ľckkeulen beispielsweise bei etwa 175¬į und 185¬į befinden.

Vor-Seiten-Verhältnis

Die Angabe eines Vor-Seiten-Verh√§ltnisses ist nur bei solchen Antennen sinnvoll, bei denen keine ausgepr√§gte R√ľckkeule erkennbar ist, oder weil wie bei dem Antennendiagramm einer Dipolantenne zwei diametrale Strahlungsmaxima gebildet werden. Deswegen wird dieser Antennendiagramm-Parameter kaum noch verwendet, es sei denn, die Antenne hat ein sogenanntes Janus- Diagramm mit zwei diametralen Hauptkeulen.

Messmethoden

Aufgrund der Reziprozität von Antennen ist es möglich, eine Empfangsantenne als Sendeantenne zu vermessen (und umgekehrt) und aus den gemessenen Empfangsdaten auf Eigenschaften als Sendeantenne zu schließen (und umgekehrt). Eine zweite Variation besteht darin, entweder eine mobile Messapparatur (die als Sender oder Empfänger konfiguriert sein kann) um die starr aufgebaute zu vermessene Antenne im Fernfeld herum zu bewegen, oder dieses Messtool auf einem festen Platz zu entfalten und die zu messende Antenne zu drehen.

Freilandmessungen

Messantenne (LPDA) f√ľr 0,9‚Äď3 GHz

Welcher Fall bei der Vermessung einer Antenne gew√§hlt wird, h√§ngt von Einfl√ľssen der Umgebung ab und wieweit diese das Antennendiagramm verf√§lschen k√∂nnen. Oft verhindern jedoch schon die geometrischen Ausma√üe der Antenne, diese in einer Ebene zu drehen. Prinzipiell sollte die Strahlungsquelle bewegt werden, wenn die zu messende Antenne eine starke Richtwirkung aufweist. Ist die zu messende Antenne drehbar, kann sie in eine Richtung gedreht werden, aus der eine m√∂glichst geringe externe St√∂rleistung zu empfangen ist. Damit dieser St√∂rleistungspegel das Antennendiagramm nicht verf√§lscht, sollte dann der Messsender um die Antenne herum bewegt werden. Dieser sollte im Fernfeld der Antenne aber noch unter optischen Sichtbedingungen wirken, damit der aktuelle Seitenwinkel durch geeignete optische Messtools (Richtkreis oder Theodolit) bestimmt werden kann.

Eine Messung am endg√ľltigen Standort mit einem fixierten Messsender und sich drehender Empfangsantenne ist sehr aufw√§ndig, da hier das Messergebnis durch Umgebungseinfl√ľsse verf√§lscht werden kann. Der Empfang von Reflexionen und von St√∂rleistungen muss durch geeignete Ma√ünahmen m√∂glichst gering gehalten werden. Aus gro√üer Entfernung strahlt ein Richtstrahler mit konstanter Leistung genau in die Richtung der Antenne. Durch Drehung und Schwenkung der zu messenden Antenne werden die empfangenen Leistungen in verschiedenen Winkeln gemessen und dann grafisch dargestellt. Eine parallele St√∂rfeldmessung mit einer kalibrierten Messantenne mit sehr breitem √Ėffnungswinkel oder sogar Rundstrahlcharakteristik kann f√ľr die Korrektur des Messergebnisses herangezogen werden.

Wenn sich das Antennendiagramm der zu messenden Antenne auch aus Komponenten von am Erdboden reflektierter Leistung zusammensetzt, ist eine Drehung der zu messenden Antenne nicht immer möglich. Oft verhindern auch die geometrischen Ausmaße der Antenne eine Drehung. In diesem Fall muss eine Strahlungsquelle in ausreichender Entfernung (also nicht im Nahfeld, sondern im Fernfeld der Antenne) von der zu messenden Antenne bewegt werden. Bei Antennen, die ohnehin mit einer Drehvorrichtung ausgestattet sind, wie zum Beispiel Radarantennen, kann diese Messung jedoch recht einfach mit einem speziellen Messtool ermittelt werden. Das im Bild gezeigte Analysegerät (engl. Radar Field Analyzer, RFA) ist Teil eines solchen Messtools.

Das horizontale Antennendiagramm wird von einem gen√ľgend entfernten Standort von der Radarantenne aus mit diesem Messtool aufgenommen. Hier arbeitet die Radarantenne als Sendeantenne und das Messtool empf√§ngt eine Serie von Messimpulsen. Eine kleine logarithmisch-periodische Dipolantenne (LPDA) empf√§ngt die vom Radarger√§t ausgestrahlten Impulse. Der RFA wird hier als Radarempf√§nger konfiguriert und demoduliert die empfangenen Hochfrequenzimpulse. Die Daten der Videosignale werden √ľber ein USB-Kabel (fr√ľher √ľber SCSI-Schnittstelle) an das Laptop √ľbergeben.

RFA aus dem Messtool

Das Messprogramm muss die ungef√§hre Umdrehungsgeschwindigkeit der Antenne und die Impulsfolgefrequenz des Radars kennen. (Diese Werte k√∂nnen aber mit dem Programm selbst ermittelt werden.) Die Amplituden aller empfangenen Sendeimpulse einer kompletten Antennenumdrehung werden mit einem Zeitstempel versehen gespeichert. Der st√§rkste Impuls wird als Referenz genommen und als Zentrum der Hauptkeule interpretiert und somit in 0¬į dargestellt. Alle anderen Messwerte werden in der Auswertung einem Seitenwinkel relativ zu dem Winkel der Hauptkeule zugeordnet.

Das vertikale Antennendiagramm kann durch statistische Messungen, zum Beispiel des elektromagnetischen Spektrums der Sonnenstrahlung, bestimmt werden (Sunstrobe-Recording). Hier wird das Messtool innerhalb der Radarstation aufgebaut und an die Videoausgänge der Empfänger angeschlossen. Die Radarantenne arbeitet bei diesem Messverfahren als Empfangsantenne. Während des Sonnenaufganges oder -unterganges werden alle Videoamplituden des Sonnenrauschens aufgezeichnet und in einer späteren Auswerteroutine einem Höhenwinkel zugeordnet.

Da immer unw√§gbare Faktoren in die Messungen einflie√üen, k√∂nnen nur Werte einer einzigen Messreihe als relative Pegel miteinander verglichen werden, in der alle einzelnen Messwerte unter m√∂glichst identischen Bedingungen gemessen werden m√ľssen. Das bedeutet, dass im Vergleich verschieden datierter Messreihen nur die Diagrammform eine Aussagekraft haben kann.

Messungen unter Laborbedingungen

Relativ kleines reflexionsfreies Messlabor

Um Antennenanlagen unter Laborbedingungen mit dem Ziel der Erstellung eines Antennendiagramms ausmessen zu k√∂nnen, muss die Antenne auf einen beweglichen Dreh- und Schwenktisch montiert werden. Die gesamte Messapparatur und der Proband befinden sich zum Schutz vor √§u√üeren St√∂rleistungen in einem massiven Faradayschen K√§fig, z. B. aus verl√∂teten Kupferblechen. Decken, W√§nde und B√∂den des Messraums sowie die Messapparaturen m√ľssen mit D√§mpfungsmaterial verkleidet sein, um die Entstehung von Reflexionen zu vermeiden. Die meist pyramidenf√∂rmigen Strukturelemente bestehen aus einem stark grafithaltigen Hartschaum, um elektromagnetische Strahlungsenergie aufzunehmen und w√§hrend einer verlustbehafteten Mehrfachreflexion zwischen den einzelnen Wandelementen in W√§rme umzuwandeln. Sehr gro√üe Messlabore werden auch EMV-Absorberhalle genannt.

Hier wird die Antenne meist als Empfangsantenne genutzt. Ein Messsender sendet mit sehr schmalem Richtdiagramm in Richtung der zu messenden Antenne. Diese wird mit Motoren in einer Ebene gedreht oder geschwenkt.

Dieses Verfahren bringt brauchbare Messergebnisse, ist aber mehr von theoretischem Wert, da sich vor allem das vertikale Antennendiagramm durch den Einfluss der Erdoberfl√§che am endg√ľltigen Einsatzort der Antenne √§ndern kann. Es wird haupts√§chlich bei der Antennenkonstruktion und -instandsetzung verwendet. Bei sehr tiefen Frequenzen und damit geometrisch gro√üen Antennen kann die Antenne mit ausreichender Genauigkeit verkleinert werden und die genutzte Messfrequenz ma√üstabsgerecht erh√∂ht werden.

Beispiele

Es gibt eine Vielzahl von Antennen, die oft nach der geometrischen Form des Antennendiagramms benannt werden:

Literatur

  • Edgar Voges: Hochfrequenztechnik. Dr. Alfred H√ľthig Verlag, Heidelberg 1987, ISBN 3-778-51270-6.
  • Karl Rothammel: Antennenbuch. 10. Auflage. Milit√§rverlag der Deutschen Demokratischen Republik, Berlin 1984.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ Rundfunk- und Funkrufsendeanlagen (pdf, 985 KB) ‚Äď Vollzugsempfehlung zur NISV (Entwurf vom 6. Juli 2005)
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