Die Effizienz einer Antenne hängt von der zugeführten und der abgestrahlten Leistung ab. Eine hocheffiziente Antenne strahlt den Großteil der zugeführten Energie ab. Eine ineffiziente Antenne absorbiert den Großteil der in ihr verlorenen Energie. Bei einer ineffizienten Antenne kann aufgrund von Impedanzfehlanpassungen auch viel Energie reflektiert werden. Reduzieren Sie die Strahlungsleistung einer ineffizienten Antenne im Vergleich zu einer effizienteren Antenne.
[Randbemerkung: Die Antennenimpedanz wird in einem späteren Kapitel behandelt. Impedanzfehlanpassung bedeutet, dass die Leistung der Antenne reflektiert wird, da die Impedanz einen falschen Wert hat. Daher spricht man von Impedanzfehlanpassung.]
Eine Art von Verlust innerhalb der Antenne ist der Leitungsverlust. Leitungsverluste entstehen durch die begrenzte Leitfähigkeit der Antenne. Ein weiterer Verlustmechanismus ist der dielektrische Verlust. Dielektrische Verluste in der Antenne entstehen durch die Leitung im dielektrischen Material. Isoliermaterial kann innerhalb oder um die Antenne herum vorhanden sein.
Das Verhältnis des Wirkungsgrads der Antenne zur Strahlungsleistung kann als Eingangsleistung der Antenne ausgedrückt werden. Dies ist Gleichung [1]. Auch Strahlungswirkungsgrad oder Antennenwirkungsgrad genannt.
[Gleichung 1]
Der Wirkungsgrad ist eine Verhältniszahl. Diese Zahl liegt immer zwischen 0 und 1. Der Wirkungsgrad wird oft in Prozent angegeben. Beispielsweise entspricht ein Wirkungsgrad von 0,5 bis zu 50 % dem Wirkungsgrad. Der Antennenwirkungsgrad wird oft auch in Dezibel (dB) angegeben. Ein Wirkungsgrad von 0,1 entspricht 10 %. Dies entspricht -10 Dezibel (-10 Dezibel). Ein Wirkungsgrad von 0,5 entspricht 50 %. Dies entspricht -3 Dezibel (dB).
Die erste Gleichung wird manchmal als Strahlungseffizienz der Antenne bezeichnet. Dies unterscheidet sie von einem anderen häufig verwendeten Begriff, der Gesamteffizienz der Antenne. Gesamteffektive Effizienz: Strahlungseffizienz der Antenne multipliziert mit dem Impedanzanpassungsverlust der Antenne. Impedanzanpassungsverluste treten auf, wenn die Antenne physisch mit der Übertragungsleitung oder dem Empfänger verbunden ist. Dies lässt sich mit Formel [2] zusammenfassen.
[Gleichung 2]
Formel [2]
Der Verlust durch Impedanzfehlanpassung ist immer eine Zahl zwischen 0 und 1. Daher ist die Gesamteffizienz der Antenne immer geringer als die Strahlungseffizienz. Um es noch einmal zu wiederholen: Wenn keine Verluste auftreten, ist die Strahlungseffizienz gleich der Gesamteffizienz der Antenne aufgrund der Impedanzfehlanpassung.
Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist einer der wichtigsten Antennenparameter. Bei einer Satellitenschüssel, Hornantenne oder einem Halbwellenlängendipol ohne verlustbehaftetes Material in der Umgebung kann er sehr nahe bei 100 % liegen. Antennen von Mobiltelefonen oder Unterhaltungselektronik haben typischerweise einen Wirkungsgrad von 20–70 %. Dies entspricht -7 dB -1,5 dB (-7, -1,5 dB). Dies ist häufig auf Verluste in der die Antenne umgebenden Elektronik und den Materialien zurückzuführen. Diese neigen dazu, einen Teil der abgestrahlten Leistung zu absorbieren. Die Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt und es entsteht keine Strahlung mehr. Dies verringert den Wirkungsgrad der Antenne. Autoradioantennen können bei AM-Radiofrequenzen mit einem Antennenwirkungsgrad von 0,01 betrieben werden. [Dies entspricht 1 % oder -20 dB.] Diese Ineffizienz rührt daher, dass die Antenne bei der Betriebsfrequenz kleiner als eine halbe Wellenlänge ist. Dies verringert den Wirkungsgrad der Antenne erheblich. Drahtlose Verbindungen werden aufrechterhalten, weil AM-Sendetürme eine sehr hohe Sendeleistung verwenden.
Impedanzfehlanpassungsverluste werden in den Abschnitten Smith-Diagramm und Impedanzanpassung erläutert. Impedanzanpassung kann die Effizienz der Antenne erheblich verbessern.
Antennengewinn
Der langfristige Antennengewinn beschreibt die in Spitzenstrahlungsrichtung übertragene Leistung relativ zu einer isotropen Quelle. Der Antennengewinn wird üblicherweise im Datenblatt einer Antenne angegeben. Er ist wichtig, da er die tatsächlich auftretenden Verluste berücksichtigt.
Eine Antenne mit 3 dB Verstärkung bedeutet, dass die von der Antenne empfangene Leistung 3 dB höher ist als die von einer verlustfreien isotropen Antenne mit der gleichen Eingangsleistung. 3 dB entsprechen der doppelten Stromversorgung.
Der Antennengewinn wird manchmal als Funktion der Richtung oder des Winkels diskutiert. Wenn jedoch eine einzelne Zahl den Gewinn angibt, dann ist diese Zahl der Spitzengewinn für alle Richtungen. Das „G“ des Antennengewinns kann mit der Richtwirkung „D“ des futuristischen Typs verglichen werden.
[Gleichung 3]
Der Gewinn einer realen Antenne, der so hoch sein kann wie eine sehr große Satellitenschüssel, beträgt 50 dB. Die Richtwirkung kann wie bei einer realen Antenne (z. B. einer kurzen Dipolantenne) nur 1,76 dB betragen. Die Richtwirkung kann nie unter 0 dB liegen. Der maximale Antennengewinn kann jedoch beliebig klein sein. Dies liegt an Verlusten oder Ineffizienzen. Elektrisch kleine Antennen sind relativ kleine Antennen, die mit der Wellenlänge ihrer Frequenz arbeiten. Kleine Antennen können sehr ineffizient sein. Der Antennengewinn liegt oft unter -10 dB, selbst wenn die Impedanzanpassung nicht berücksichtigt wird.
Veröffentlichungszeit: 16. November 2023
