1. Einführung in Antennen
Eine Antenne ist eine Übergangsstruktur zwischen freiem Raum und einer Übertragungsleitung (siehe Abbildung 1). Die Übertragungsleitung kann als Koaxialkabel oder Hohlleiter ausgeführt sein und dient der Übertragung elektromagnetischer Energie von einer Quelle zu einer Antenne oder von einer Antenne zu einem Empfänger. Die Quelle ist die Sendeantenne, der Empfänger die Empfangsantenne.Antenne.
Abbildung 1: Übertragungspfad für elektromagnetische Energie
Die Übertragung des Antennensystems im Übertragungsmodus von Abbildung 1 wird durch das Thevenin-Ersatzschaltbild in Abbildung 2 dargestellt. Die Quelle wird durch einen idealen Signalgenerator, die Übertragungsleitung durch eine Leitung mit der charakteristischen Impedanz Zc und die Antenne durch eine Last ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA] repräsentiert. Der Lastwiderstand RL repräsentiert die Leitungs- und dielektrischen Verluste der Antennenstruktur, während Rr den Strahlungswiderstand der Antenne darstellt. Die Reaktanz XA repräsentiert den Imaginärteil der Impedanz der Antennenstrahlung. Im Idealfall sollte die gesamte von der Signalquelle erzeugte Energie an den Strahlungswiderstand Rr übertragen werden, der die Strahlungsleistung der Antenne beschreibt. In der Praxis treten jedoch Leiter- und dielektrische Verluste aufgrund der Eigenschaften der Übertragungsleitung und der Antenne sowie Verluste durch Reflexion (Fehlanpassung) zwischen Übertragungsleitung und Antenne auf. Unter Berücksichtigung der internen Impedanz der Quelle und Vernachlässigung der Übertragungsleitungs- und Reflexionsverluste (Fehlanpassungsverluste) wird die maximale Leistung bei konjugierter Anpassung an die Antenne abgegeben.
Abbildung 2
Aufgrund der Fehlanpassung zwischen Übertragungsleitung und Antenne überlagert sich die von der Quelle auf die Antenne einfallende Welle mit der reflektierten Welle und bildet eine stehende Welle. Diese steht für Energiekonzentration und -speicherung und ist typisch für ein Resonanzbauelement. Das typische Muster einer stehenden Welle ist in Abbildung 2 gestrichelt dargestellt. Ist das Antennensystem nicht optimal ausgelegt, fungiert die Übertragungsleitung eher als Energiespeicher denn als Wellenleiter und Energieübertragungselement.
Die durch Übertragungsleitung, Antenne und stehende Wellen verursachten Verluste sind unerwünscht. Leitungsverluste lassen sich durch die Auswahl verlustarmer Übertragungsleitungen minimieren, während Antennenverluste durch die Reduzierung des in Abbildung 2 mit RL dargestellten Verlustwiderstands verringert werden können. Stehende Wellen und die Energiespeicherung in der Leitung lassen sich minimieren, indem die Impedanz der Antenne (Last) an die charakteristische Impedanz der Leitung angepasst wird.
In drahtlosen Systemen dienen Antennen neben dem Empfangen und Senden von Energie üblicherweise auch dazu, die abgestrahlte Energie in bestimmten Richtungen zu verstärken und in anderen Richtungen zu dämpfen. Daher müssen Antennen neben ihren Empfangs- und Empfangsfunktionen auch als Richtantennen eingesetzt werden. Antennen können verschiedene Formen annehmen, um spezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Beispiele hierfür sind Drähte, Aperturen, Patchantennen, Elementanordnungen (Arrays), Reflektoren, Linsen usw.
In drahtlosen Kommunikationssystemen zählen Antennen zu den wichtigsten Komponenten. Eine gute Antennenkonstruktion kann die Systemanforderungen reduzieren und die Gesamtleistung verbessern. Ein klassisches Beispiel ist das Fernsehen, wo der Empfang von Sendungen durch den Einsatz leistungsstarker Antennen optimiert werden kann. Antennen sind für Kommunikationssysteme das, was Augen für den Menschen sind.
2. Antennenklassifizierung
Die Hornantenne ist eine planare Mikrowellenantenne mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt, die sich am Ende des Wellenleiters allmählich öffnet. Sie ist die am weitesten verbreitete Mikrowellenantenne. Ihr Strahlungsfeld wird durch die Größe der Hornöffnung und die Ausbreitungsart bestimmt. Der Einfluss der Hornwand auf die Strahlung lässt sich mithilfe des geometrischen Beugungsprinzips berechnen. Bleibt die Hornlänge unverändert, nehmen die Öffnungsgröße und die quadratische Phasendifferenz mit zunehmendem Öffnungswinkel zu, der Gewinn bleibt jedoch konstant. Soll das Frequenzband der Hornantenne erweitert werden, müssen die Reflexionen am Hornhals und an der Öffnung reduziert werden; die Reflexionen nehmen mit zunehmender Öffnungsgröße ab. Die Hornantenne ist relativ einfach aufgebaut, und ihr Strahlungsmuster ist ebenfalls relativ einfach und gut steuerbar. Sie wird üblicherweise als Richtantenne mit mittlerer Reichweite eingesetzt. Parabolreflektorhornantennen mit großer Bandbreite, geringen Nebenkeulen und hohem Wirkungsgrad finden häufig Anwendung in der Mikrowellen-Relaiskommunikation.
RM-DCPHA105145-20(10,5-14,5GHz)
RM-BDHA1850-20 (18-50 GHz)
RM-SGHA430-10 (1,70–2,60 GHz)
2. Mikrostreifenantenne
Die Struktur einer Mikrostreifenantenne besteht im Allgemeinen aus einem dielektrischen Substrat, einem Strahler und einer Massefläche. Die Dicke des dielektrischen Substrats ist deutlich kleiner als die Wellenlänge. Die dünne Metallschicht an der Unterseite des Substrats ist mit der Massefläche verbunden. Auf der Vorderseite wird mittels Fotolithografie eine dünne Metallschicht mit einer spezifischen Form als Strahler aufgebracht. Die Form des Strahlers kann je nach Anforderung vielfältig variiert werden.
Der Aufstieg der Mikrowellenintegrationstechnologie und neuer Fertigungsverfahren hat die Entwicklung von Mikrostreifenantennen vorangetrieben. Verglichen mit herkömmlichen Antennen sind Mikrostreifenantennen nicht nur klein, leicht, flach und einfach zu integrieren, sondern auch kostengünstig, massentauglich und bieten zudem vielfältige elektrische Eigenschaften.
RM-MA424435-22 (4,25–4,35 GHz)
RM-MA25527-22 (25,5–27 GHz)
Die Hohlleiter-Schlitzantenne nutzt die Schlitze in ihrer Hohlleiterstruktur zur Strahlungserzeugung. Sie besteht üblicherweise aus zwei parallelen Metallplatten, die einen Hohlleiter mit einem schmalen Spalt bilden. Beim Durchgang elektromagnetischer Wellen durch diesen Spalt entsteht Resonanz, wodurch ein starkes elektromagnetisches Feld in der Nähe des Spalts erzeugt wird und somit Strahlung entsteht. Dank ihrer einfachen Struktur ermöglicht die Hohlleiter-Schlitzantenne eine breitbandige und hocheffiziente Strahlung und findet daher breite Anwendung in Radar, Kommunikation, drahtlosen Sensoren und anderen Bereichen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich. Ihre Vorteile – hohe Strahlungseffizienz, Breitbandigkeit und gute Störfestigkeit – machen sie bei Ingenieuren und Forschern gleichermaßen beliebt.
RM-PA7087-43 (71-86 GHz)
RM-PA1075145-32 (10,75–14,5 GHz)
RM-SWA910-22 (9-10 GHz)
Die bikonische Antenne ist eine Breitbandantenne mit bikonischer Struktur, die sich durch einen breiten Frequenzgang und hohe Strahlungseffizienz auszeichnet. Die beiden konischen Teile der Antenne sind symmetrisch zueinander angeordnet. Durch diese Struktur wird eine effektive Abstrahlung in einem breiten Frequenzband ermöglicht. Sie findet üblicherweise Anwendung in Bereichen wie Spektrumanalyse, Strahlungsmessung und EMV-Prüfung (elektromagnetische Verträglichkeit). Dank ihrer guten Impedanzanpassung und Strahlungseigenschaften eignet sie sich für Anwendungen, die mehrere Frequenzen abdecken müssen.
RM-BCA2428-4 (24–28 GHz)
RM-BCA218-4 (2-18 GHz)
Die Spiralantenne ist eine Breitbandantenne mit spiralförmiger Struktur, die sich durch einen breiten Frequenzgang und hohe Strahlungseffizienz auszeichnet. Durch die spiralförmige Spulenstruktur erreicht sie Polarisationsdiversität und Breitband-Strahlungseigenschaften und eignet sich für Radar-, Satelliten- und drahtlose Kommunikationssysteme.
RM-PSA0756-3 (0,75-6 GHz)
RM-PSA218-2R(2-18GHz)
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Veröffentlichungsdatum: 14. Juni 2024
