Der Wirkungsgrad einer Antenne hängt von der der Antenne zugeführten Leistung und der von der Antenne abgestrahlten Leistung ab.Eine hocheffiziente Antenne strahlt den Großteil der an die Antenne gelieferten Energie ab.Eine ineffiziente Antenne absorbiert den größten Teil der in der Antenne verlorenen Leistung.Bei einer ineffizienten Antenne kann aufgrund einer Impedanzfehlanpassung 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 besprochen.Bei einer Impedanzfehlanpassung handelt es sich um reflektierte Leistung von der Antenne, weil die Impedanz einen falschen Wert hat.Daher wird dies als Impedanzfehlanpassung bezeichnet.]
Der Verlusttyp innerhalb der Antenne ist der Leitungsverlust.Leitungsverluste sind auf die endliche Leitfähigkeit der Antenne zurückzuführen.Ein weiterer Verlustmechanismus ist der dielektrische Verlust.Dielektrische Verluste in der Antenne sind auf die Leitung im dielektrischen Material zurückzuführen.Isoliermaterial kann innerhalb oder um die Antenne herum vorhanden sein.
Das Verhältnis des Wirkungsgrades der Antenne zur abgestrahlten Leistung lässt sich als Eingangsleistung der Antenne beschreiben.Das ist Gleichung [1].Wird auch als Strahlungseffizienz der Antenneneffizienz bezeichnet.
[Gleichung 1]
Effizienz ist ein Verhältnis.Dieses Verhältnis ist immer eine Größe zwischen 0 und 1. Der Wirkungsgrad wird oft in Prozentpunkten angegeben.Beispielsweise ist ein Wirkungsgrad von 0,5 bis zu 50 % gleich.Der Antennenwirkungsgrad wird häufig auch in Dezibel (dB) angegeben.Ein Wirkungsgrad von 0,1 entspricht 10 %.Dies entspricht ebenfalls -10 Dezibel (-10 Dezibel).Ein Wirkungsgrad von 0,5 entspricht 50 %.Dies entspricht ebenfalls -3 Dezibel (dB).
Die erste Gleichung wird manchmal als Strahlungseffizienz der Antenne bezeichnet.Dies unterscheidet ihn von einem anderen häufig verwendeten Begriff, der als „Gesamteffektivität der Antenne“ bezeichnet wird.Gesamteffektiver Wirkungsgrad der Antennenstrahlungseffizienz multipliziert mit dem Impedanzfehlanpassungsverlust der Antenne.Impedanzfehlanpassungsverluste 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 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 es keine Verluste gibt, ist die Strahlungseffizienz aufgrund der Impedanzfehlanpassung gleich der Gesamteffizienz der Antenne.
Die Verbesserung der Effizienz ist einer der wichtigsten Antennenparameter.Mit einer Satellitenschüssel, einer Hornantenne oder einem Dipol mit halber Wellenlänge kann er sehr nahe an 100 % liegen, ohne dass verlustbehaftetes Material um ihn herum vorhanden ist.Mobilfunkantennen oder Antennen für Unterhaltungselektronik haben typischerweise einen Wirkungsgrad von 20–70 %.Dies entspricht -7 dB -1,5 dB (-7, -1,5 dB).Dies ist häufig auf den Verlust von Elektronik und Materialien rund um die Antenne zurückzuführen.Diese neigen dazu, einen Teil der Strahlungsleistung zu absorbieren.Die Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt und es entsteht keine Strahlung.Dadurch verringert sich die Effizienz der Antenne.Autoradioantennen können bei AM-Radiofrequenzen mit einem Antennenwirkungsgrad von 0,01 betrieben werden.[Dies ist 1 % oder -20 dB.] Diese Ineffizienz liegt daran, dass die Antenne bei der Betriebsfrequenz kleiner als eine halbe Wellenlänge ist.Dadurch wird die Effizienz der Antenne stark reduziert.Drahtlose Verbindungen werden aufrechterhalten, da AM-Sendetürme eine sehr hohe Sendeleistung verwenden.
Verluste durch Impedanzfehlanpassung werden in den Abschnitten „Smith-Diagramm“ und „Impedanzanpassung“ erläutert.Durch Impedanzanpassung kann die Effizienz der Antenne erheblich verbessert werden.
Antennengewinn
Der langfristige Antennengewinn beschreibt, wie viel Leistung in Spitzenstrahlungsrichtung relativ zu einer isotropen Quelle übertragen wird.Der Antennengewinn wird üblicherweise im Datenblatt einer Antenne angegeben.Der Antennengewinn ist wichtig, da er die tatsächlich auftretenden Verluste berücksichtigt.
Eine Antenne mit einem Gewinn von 3 dB bedeutet, dass die von der Antenne empfangene Leistung um 3 dB viel höher ist, als sie von einer verlustfreien isotropen Antenne mit derselben Eingangsleistung empfangen würde.3 dB entsprechen der doppelten Leistungsaufnahme.
Der Antennengewinn wird manchmal als Funktion der Richtung oder des Winkels diskutiert.Wenn jedoch eine einzelne Zahl die Verstärkung angibt, dann ist diese Zahl die Spitzenverstärkung für alle Richtungen.Das „G“ des Antennengewinns kann mit der Richtwirkung „D“ des futuristischen Typs verglichen werden.
[Gleichung 3]
Der Gewinn einer echten Antenne, der so hoch sein kann wie eine sehr große Satellitenschüssel, beträgt 50 dB.Die Richtwirkung kann wie bei einer echten Antenne (z. B. einer kurzen Dipolantenne) bis zu 1,76 dB betragen.Die Direktionalität kann niemals weniger als 0 dB betragen.Der Spitzenantennengewinn kann jedoch beliebig klein sein.Dies ist auf Verluste oder Ineffizienzen zurückzuführen.Elektrisch kleine Antennen sind relativ kleine Antennen, die auf der Wellenlänge der Frequenz arbeiten, mit der die Antenne arbeitet.Kleine Antennen können sehr ineffizient sein.Der Antennengewinn liegt oft unter -10 dB, auch wenn Impedanzunterschiede nicht berücksichtigt werden.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. November 2023
