Neuigkeiten - Einführung und Klassifizierung einiger gängiger Antennen

1. Einführung in Antennen
Eine Antenne ist eine Übergangsstruktur zwischen freiem Raum und einer Übertragungsleitung, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Übertragungsleitung kann als Koaxialleitung oder Hohlrohr (Wellenleiter) ausgeführt sein und dient der Übertragung elektromagnetischer Energie von einer Quelle zu einer Antenne oder von einer Antenne zu einem Empfänger. Erstere ist eine Sendeantenne, letztere eine Empfangsantenne.

Abbildung 1 Übertragungsweg elektromagnetischer Energie (Quelle – Übertragungsleitung – Antenne – freier Raum)

Die Übertragung des Antennensystems im Übertragungsmodus von Abbildung 1 wird durch das in Abbildung 2 dargestellte Thevenin-Äquivalent repräsentiert. Dabei wird die Quelle durch einen idealen Signalgenerator, die Übertragungsleitung durch eine Leitung mit Wellenwiderstand Zc und die Antenne durch eine Last ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA] repräsentiert. Der Lastwiderstand RL repräsentiert die Leitungs- und Dielektrizitätsverluste der Antennenstruktur, Rr den Strahlungswiderstand der Antenne und der Blindwiderstand XA den Imaginärteil der mit der Antennenstrahlung verbundenen Impedanz. Unter idealen Bedingungen sollte die gesamte von der Signalquelle erzeugte Energie auf den Strahlungswiderstand Rr übertragen werden, der die Strahlungsfähigkeit der Antenne repräsentiert. In der Praxis treten jedoch aufgrund der Eigenschaften der Übertragungsleitung und der Antenne Leitungs-Dielektrizitätsverluste sowie Reflexionsverluste (Fehlanpassung) zwischen Übertragungsleitung und Antenne auf. Unter Berücksichtigung der internen Impedanz der Quelle und unter Außerachtlassung der Übertragungsleitungs- und Reflexionsverluste (Fehlanpassung) wird der Antenne bei konjugierter Anpassung die maximale Leistung bereitgestellt.

Abbildung 2

Aufgrund der Fehlanpassung zwischen Übertragungsleitung und Antenne überlagert sich die reflektierte Welle von der Schnittstelle mit der einfallenden Welle von der Quelle zur Antenne und bildet eine stehende Welle. Diese stellt Energiekonzentration und -speicherung dar und ist ein typisches Resonanzgerät. Ein typisches stehendes Wellenmuster ist durch die gestrichelte Linie in Abbildung 2 dargestellt. Bei unsachgemäßer Auslegung des Antennensystems kann die Übertragungsleitung weitgehend als Energiespeicher fungieren, anstatt als Wellenleiter und Energieübertragungsgerät zu dienen.
Die durch Übertragungsleitung, Antenne und stehende Wellen verursachten Verluste sind unerwünscht. Leitungsverluste lassen sich durch die Wahl verlustarmer Übertragungsleitungen minimieren, während Antennenverluste durch die Reduzierung des Verlustwiderstands (RL in Abbildung 2) reduziert werden können. Stehende Wellen und die Energiespeicherung in der Leitung können durch die Anpassung der Impedanz der Antenne (Last) an den Wellenwiderstand der Leitung minimiert werden.
In drahtlosen Systemen werden Antennen üblicherweise nicht nur zum Empfangen oder Senden von Energie benötigt, sondern auch, um die Strahlungsenergie in bestimmte Richtungen zu verstärken und in andere Richtungen zu unterdrücken. Daher müssen Antennen neben Detektionsgeräten auch als Richtgeräte eingesetzt werden. Antennen können je nach Bedarf verschiedene Formen haben. Es kann sich beispielsweise um einen Draht, eine Blende, ein Patch, eine Elementanordnung (Array), einen Reflektor, eine Linse usw. handeln.

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

2. Antennenklassifizierung
1. Drahtantenne
Drahtantennen gehören zu den gängigsten Antennentypen, da sie fast überall zu finden sind – in Autos, Gebäuden, Schiffen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen usw. Drahtantennen gibt es in verschiedenen Formen, z. B. als gerade Linie (Dipol), als Schleife oder als Spirale, wie in Abbildung 3 dargestellt. Schleifenantennen müssen nicht zwingend kreisförmig sein. Sie können rechteckig, quadratisch, oval oder eine beliebige andere Form haben. Die Kreisantenne ist aufgrund ihrer einfachen Struktur die gebräuchlichste.

Abbildung 3

2. Aperturantennen
Aperturantennen gewinnen aufgrund der steigenden Nachfrage nach komplexeren Antennenformen und der Nutzung höherer Frequenzen zunehmend an Bedeutung. Einige Formen von Aperturantennen (pyramidenförmige, konische und rechteckige Hornantennen) sind in Abbildung 4 dargestellt. Dieser Antennentyp eignet sich besonders gut für den Einsatz in Luft- und Raumfahrzeugen, da er sich bequem an der Außenhülle des Flugzeugs oder Raumfahrzeugs montieren lässt. Zusätzlich können sie mit einer Schicht dielektrischen Materials beschichtet 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 Metallpatch kann viele verschiedene Formen haben, wobei die in Abbildung 5 dargestellte rechteckige Patchantenne die gebräuchlichste ist. Mikrostreifenantennen haben ein flaches Profil, eignen sich für ebene und nicht-ebene 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 Mobilgeräten montiert werden und lassen sich konform gestalten.

Abbildung 5

4. Array-Antenne
Die für viele Anwendungen erforderlichen Strahlungseigenschaften lassen sich möglicherweise nicht mit einem einzelnen Antennenelement erreichen. Antennenarrays können die Strahlung der Elemente so bündeln, dass eine maximale Strahlung in eine oder mehrere bestimmte Richtungen entsteht. Ein typisches Beispiel ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6

5. Reflektorantenne
Der Erfolg der Weltraumforschung führte auch zu einer rasanten Entwicklung der Antennentheorie. Aufgrund der Notwendigkeit der Ultralangstreckenkommunikation müssen Antennen mit extrem hoher Verstärkung eingesetzt werden, um Signale über Millionen von Kilometern Entfernung zu senden und zu empfangen. Eine gängige Antennenform ist dabei die in Abbildung 7 dargestellte Parabolantenne. Dieser Antennentyp hat einen Durchmesser von 305 Metern oder mehr. Diese Größe ist notwendig, um die hohe Verstärkung zu erreichen, die zum Senden oder Empfangen von Signalen über Millionen von Kilometern Entfernung erforderlich ist. Eine weitere Reflektorform ist der Eckreflektor, wie in Abbildung 7 (c) dargestellt.

Abbildung 7

6. Linsenantennen
Linsen dienen in erster Linie dazu, einfallende Streuenergie zu bündeln und so deren Ausbreitung in unerwünschte Strahlungsrichtungen zu verhindern. Durch entsprechende Anpassung der Linsengeometrie und die Wahl des richtigen Materials können sie verschiedene Formen divergierender Energie in ebene Wellen umwandeln. Sie können in den meisten Anwendungen, wie z. B. Parabolantennen, insbesondere bei höheren Frequenzen eingesetzt werden. Bei niedrigeren Frequenzen nehmen Größe und Gewicht stark zu. Linsenantennen werden nach ihren Konstruktionsmaterialien oder geometrischen Formen klassifiziert, einige davon sind in Abbildung 8 dargestellt.