Der Wirkungsgrad einer Antenne hängt von der zugeführten und der abgestrahlten Leistung ab. Eine hocheffiziente Antenne strahlt den größten Teil der zugeführten Energie ab. Eine ineffiziente Antenne absorbiert den größten Teil der verlorenen Leistung. Aufgrund von Fehlanpassungen der Impedanz kann bei einer ineffizienten Antenne auch viel Energie reflektiert werden. Die abgestrahlte Leistung einer ineffizienten Antenne ist im Vergleich zu einer effizienteren Antenne geringer.
[Anmerkung: Die Antennenimpedanz wird in einem späteren Kapitel behandelt. Fehlanpassung der Impedanz führt zu reflektierter Leistung von der Antenne, weil die Impedanz einen falschen Wert hat. Daher spricht man von Fehlanpassung der Impedanz.]
Eine Verlustart innerhalb der Antenne ist der Leitungsverlust. Dieser entsteht durch die endliche Leitfähigkeit der Antenne. Ein weiterer Verlustmechanismus ist der dielektrische Verlust. Dielektrische Verluste in der Antenne entstehen durch die Leitfähigkeit des dielektrischen Materials. Isoliermaterial kann innerhalb oder um die Antenne herum vorhanden sein.
Das Verhältnis des Antennenwirkungsgrades zur abgestrahlten Leistung entspricht der Eingangsleistung der Antenne. Dies ist Gleichung [1]. Dieser Wert wird auch als Strahlungswirkungsgrad oder Antennenwirkungsgrad bezeichnet.
[Gleichung 1]
Der Wirkungsgrad ist ein Verhältniswert. Dieser Wert liegt immer zwischen 0 und 1. Der Wirkungsgrad wird häufig in Prozent angegeben. Beispielsweise entspricht ein Wirkungsgrad von 0,5 etwa 50 %. Der Antennenwirkungsgrad wird auch oft in Dezibel (dB) angegeben. Ein Wirkungsgrad von 0,1 entspricht 10 % bzw. -10 Dezibel. Ein Wirkungsgrad von 0,5 entspricht 50 % bzw. -3 Dezibel (dB).
Die erste Gleichung wird mitunter als Strahlungswirkungsgrad der Antenne bezeichnet. Dies unterscheidet sie von der üblicherweise verwendeten Bezeichnung Gesamtwirkungsgrad der Antenne. Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus dem Strahlungswirkungsgrad der Antenne multipliziert mit den Fehlanpassungsverlusten der Impedanz. Fehlanpassungsverluste treten auf, wenn die Antenne physisch mit der Übertragungsleitung oder dem Empfänger verbunden ist. Dies lässt sich in Formel [2] zusammenfassen.
[Gleichung 2]
Formel [2]
Der Impedanzfehlanpassungsverlust liegt stets zwischen 0 und 1. Daher ist der Gesamtwirkungsgrad der Antenne immer geringer als ihr Strahlungswirkungsgrad. Anders ausgedrückt: Gäbe es keine Verluste, entspräche der Strahlungswirkungsgrad dem Gesamtwirkungsgrad der Antenne aufgrund der Impedanzfehlanpassung.
Die Verbesserung des Wirkungsgrades ist einer der wichtigsten Antennenparameter. Bei Satellitenschüsseln, Hornantennen oder Halbwellendipolen ohne verlustbehaftete Umgebungsmaterialien kann er nahezu 100 % erreichen. Antennen für Mobiltelefone oder Unterhaltungselektronik weisen typischerweise einen Wirkungsgrad von 20–70 % auf. Dies entspricht -7 dB bis -1,5 dB. Häufig sind Verluste durch Elektronik und die umgebenden Materialien bedingt. Diese absorbieren einen Teil der abgestrahlten Energie. Die Energie wird in Wärme umgewandelt, und es findet keine Strahlung statt. Dies reduziert den Antennenwirkungsgrad. Autoradioantennen können bei AM-Frequenzen mit einem Wirkungsgrad von 0,01 arbeiten (entspricht 1 % oder -20 dB). Dieser geringe Wirkungsgrad entsteht dadurch, dass die Antenne bei der Betriebsfrequenz kleiner als die halbe Wellenlänge ist. Dies reduziert den Wirkungsgrad erheblich. Drahtlose Verbindungen werden aufrechterhalten, da AM-Sendetürme mit sehr hoher Sendeleistung arbeiten.
Die Verluste durch Fehlanpassung der Impedanz werden in den Abschnitten „Smith-Diagramm“ und „Impedanzanpassung“ erläutert. Durch Impedanzanpassung lässt sich der Wirkungsgrad der Antenne deutlich verbessern.
Antennengewinn
Der Langzeit-Antennengewinn beschreibt, wie viel Leistung in Richtung der maximalen Abstrahlung im Vergleich zu einer isotropen Quelle übertragen wird. Der Antennengewinn wird üblicherweise im Datenblatt einer Antenne angegeben. Er ist wichtig, da er die tatsächlich auftretenden Verluste berücksichtigt.
Eine Antenne mit 3 dB Gewinn bedeutet, dass die von ihr empfangene Leistung um 3 dB höher ist als die von einer verlustlosen, isotropen Antenne mit derselben Eingangsleistung. 3 dB entsprechen der doppelten Versorgungsspannung.
Die Antennenverstärkung wird mitunter als Funktion der Richtung oder des Winkels diskutiert. Wird die Verstärkung jedoch durch eine einzelne Zahl angegeben, so stellt diese Zahl die maximale Verstärkung für alle Richtungen dar. Der Antennengewinn „G“ lässt sich mit der Richtwirkung „D“ futuristischer Antennen vergleichen.
[Gleichung 3]
Der Gewinn einer realen Antenne, die so hoch wie die einer sehr großen Satellitenschüssel sein kann, beträgt 50 dB. Die Richtwirkung kann wie bei einer realen Antenne (z. B. einer kurzen Dipolantenne) bis zu 1,76 dB betragen. Sie kann niemals unter 0 dB liegen. Der maximale Antennengewinn kann jedoch beliebig gering sein. Dies ist auf Verluste oder Ineffizienzen zurückzuführen. Elektrisch kleine Antennen sind relativ kleine Antennen, die bei der Wellenlänge der Betriebsfrequenz arbeiten. Kleine Antennen können sehr ineffizient sein. Ihr Antennengewinn liegt oft unter -10 dB, selbst wenn Fehlanpassungen der Impedanz nicht berücksichtigt werden.
Veröffentlichungsdatum: 16. November 2023
