Neuigkeiten – Einführung und Klassifizierung einiger gängiger Antennen

1. Einführung in Antennen
Eine Antenne ist eine Übergangsstruktur zwischen Freiraum und einer Übertragungsleitung, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Übertragungsleitung kann die Form einer Koaxialleitung oder eines Hohlrohrs (Wellenleiter) haben, das zur Übertragung elektromagnetischer Energie von einer Quelle verwendet wird zu einer Antenne oder von einer Antenne zu einem Empfänger. Erstere ist eine Sendeantenne und letztere ist eine Empfangsantenne.

Abbildung 1 Übertragungsweg elektromagnetischer Energie (Quelle-Übertragungsleitung-antennenfreier Raum)

Die Übertragung des Antennensystems im Übertragungsmodus von Abbildung 1 wird durch das Thevenin-Äquivalent dargestellt, wie in Abbildung 2 gezeigt, wobei die Quelle durch einen idealen Signalgenerator dargestellt wird, die Übertragungsleitung durch eine Leitung mit der charakteristischen Impedanz Zc dargestellt wird und die Antenne wird durch eine Last ZA repräsentiert [ZA = (RL + Rr) + jXA]. Der Lastwiderstand RL stellt die mit der Antennenstruktur verbundenen Leitungs- und dielektrischen Verluste dar, während Rr den Strahlungswiderstand der Antenne darstellt und die Reaktanz XA zur Darstellung des Imaginärteils der mit der Antennenstrahlung verbundenen Impedanz verwendet wird. Unter idealen Bedingungen sollte die gesamte von der Signalquelle erzeugte Energie auf den Strahlungswiderstand Rr übertragen werden, der zur Darstellung der Strahlungsfähigkeit der Antenne dient. In praktischen Anwendungen kommt es jedoch aufgrund der Eigenschaften der Übertragungsleitung und der Antenne zu Leiter-Dielektrikum-Verlusten sowie zu Verlusten, die durch Reflexion (Fehlanpassung) zwischen Übertragungsleitung und Antenne verursacht werden. Unter Berücksichtigung der internen Impedanz der Quelle und unter Vernachlässigung der Übertragungsleitungs- und Reflexionsverluste (Fehlanpassung) wird der Antenne bei konjugierter Anpassung die maximale Leistung bereitgestellt.

Abbildung 2

Aufgrund der Fehlanpassung zwischen der Übertragungsleitung und der Antenne überlagert sich die von der Schnittstelle reflektierte Welle mit der von der Quelle zur Antenne einfallenden Welle und bildet eine stehende Welle, die eine Energiekonzentration und -speicherung darstellt und ein typisches Resonanzgerät darstellt. Ein typisches Stehwellenmuster wird durch die gestrichelte Linie in Abbildung 2 dargestellt. Wenn das Antennensystem nicht richtig ausgelegt ist, kann die Übertragungsleitung weitgehend als Energiespeicherelement und nicht als Wellenleiter und Energieübertragungsgerät fungieren.
Die durch Übertragungsleitung, Antenne und stehende Wellen verursachten Verluste sind unerwünscht. Leitungsverluste können durch die Auswahl verlustarmer Übertragungsleitungen minimiert werden, während Antennenverluste durch Reduzierung des durch RL in Abbildung 2 dargestellten Verlustwiderstands reduziert werden können. Stehende Wellen können reduziert und die Energiespeicherung in der Leitung kann durch Anpassung der Impedanz minimiert werden der Antenne (Last) mit der charakteristischen Impedanz der Leitung.
In drahtlosen Systemen sind Antennen normalerweise zusätzlich zum Empfangen oder Senden von Energie erforderlich, um die abgestrahlte Energie in bestimmte Richtungen zu verstärken und die abgestrahlte Energie in andere Richtungen zu unterdrücken. Daher müssen neben Detektionsgeräten auch Antennen als Richtgeräte eingesetzt werden. Antennen können in verschiedenen Formen vorliegen, um spezifische Anforderungen zu erfüllen. Es kann sich um einen Draht, eine Apertur, ein Patch, eine Elementanordnung (Array), einen Reflektor, eine Linse usw. handeln.

In drahtlosen Kommunikationssystemen gehören Antennen zu den kritischsten Komponenten. Ein gutes Antennendesign kann die Systemanforderungen reduzieren und die Gesamtsystemleistung verbessern. Ein klassisches Beispiel ist das Fernsehen, wo der Rundfunkempfang durch den Einsatz leistungsstarker Antennen verbessert werden kann. Antennen sind für Kommunikationssysteme das, was Augen für Menschen sind.

2. Antennenklassifizierung
1. Drahtantenne
Drahtantennen gehören zu den am weitesten verbreiteten Antennentypen, da sie fast überall zu finden sind – in Autos, Gebäuden, Schiffen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen usw. Es gibt verschiedene Formen von Drahtantennen, wie z. B. gerade Antennen (Dipol), Schleifenantennen, Spiralantennen usw. wie in Abbildung 3 dargestellt. Rahmenantennen müssen nicht nur kreisförmig sein. Sie können rechteckig, quadratisch, oval oder jede andere Form haben. Die Rundantenne ist aufgrund ihres einfachen Aufbaus am gebräuchlichsten.

Abbildung 3

2. Aperturantennen
Aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach komplexeren Antennenformen und der Nutzung höherer Frequenzen spielen Aperturantennen eine immer größere Rolle. Einige Formen von Aperturantennen (pyramidenförmige, konische und rechteckige Hornantennen) sind in Abbildung 4 dargestellt. Dieser Antennentyp ist für Luft- und Raumfahrzeuganwendungen sehr nützlich, da er sehr bequem an der Außenhülle des Luft- oder Raumfahrzeugs montiert werden kann. Darüber hinaus können sie mit einer Schicht aus dielektrischem Material überzogen werden, um sie vor rauen Umgebungsbedingungen zu schützen.

Abbildung 4

3. Mikrostreifenantenne
Mikrostreifenantennen erfreuten sich in den 1970er Jahren großer Beliebtheit, vor allem für Satellitenanwendungen. Die Antenne besteht aus einem dielektrischen Substrat und einem Metallpatch. Der Metall-Patch kann viele verschiedene Formen haben, wobei die in Abbildung 5 gezeigte rechteckige Patch-Antenne am häufigsten vorkommt. Mikrostreifenantennen haben ein niedriges Profil, eignen sich für planare und nicht-planare Oberflächen, sind einfach und kostengünstig herzustellen, weisen eine hohe Robustheit bei der Montage auf starren Oberflächen auf und sind mit MMIC-Designs kompatibel. Sie können auf der Oberfläche von Flugzeugen, Raumfahrzeugen, Satelliten, Raketen, Autos und sogar mobilen Geräten montiert und konform gestaltet werden.

Abbildung 5

4. Array-Antenne
Die für viele Anwendungen erforderlichen Strahlungseigenschaften können mit einem einzelnen Antennenelement möglicherweise nicht erreicht werden. Antennenarrays können die Strahlung der Elemente synthetisieren, um maximale Strahlung in eine oder mehrere spezifische Richtungen zu erzeugen. Ein typisches Beispiel ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6

5. Reflektorantenne
Der Erfolg der Weltraumforschung hat auch zu einer raschen Entwicklung der Antennentheorie geführt. Aufgrund der Notwendigkeit einer Kommunikation über extrem große Entfernungen müssen extrem leistungsstarke Antennen verwendet werden, um Signale über Millionen von Kilometern Entfernung zu senden und zu empfangen. In dieser Anwendung ist eine übliche Antennenform die in Abbildung 7 gezeigte Parabolantenne. Dieser Antennentyp hat einen Durchmesser von 305 Metern oder mehr und eine so große Größe ist erforderlich, um den hohen Gewinn zu erreichen, der zum Senden oder Empfangen von Signalen in Millionenhöhe erforderlich ist Meilen entfernt. Eine andere Reflektorform ist ein Eckreflektor, wie in Abbildung 7 (c) dargestellt.

Abbildung 7

6. Linsenantennen
Linsen werden in erster Linie dazu verwendet, einfallende Streuenergie zu bündeln, um zu verhindern, dass sie sich in unerwünschte Strahlungsrichtungen ausbreitet. Durch entsprechende Änderung der Linsengeometrie und Wahl des richtigen Materials können sie verschiedene Formen divergenter Energie in ebene Wellen umwandeln. Sie können in den meisten Anwendungen wie Parabolreflektorantennen verwendet werden, insbesondere bei höheren Frequenzen, und ihre Größe und ihr Gewicht werden bei niedrigeren Frequenzen sehr groß. Linsenantennen werden nach ihren Baumaterialien oder geometrischen Formen klassifiziert, von denen einige in Abbildung 8 dargestellt sind.