Neuigkeiten – Einführung und Klassifizierung einiger gängiger Antennen

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. Erstere wird als Sendeantenne, letztere als Empfangsantenne bezeichnet.

Abbildung 1 Übertragungsweg elektromagnetischer Energie (Quelle-Übertragungsleitung-Antenne-Freiraum)

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 an der Grenzfläche mit der reflektierten Welle und bildet eine stehende Welle. Diese stellt eine Energiekonzentration und -speicherung dar und ist typisch für ein Resonanzbauelement. Ein typisches Muster einer stehenden Welle ist in Abbildung 2 gestrichelt dargestellt. Ist das Antennensystem nicht optimal ausgelegt, kann die Übertragungsleitung weitgehend als Energiespeicher fungieren, anstatt 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
1. Drahtantenne
Drahtantennen gehören zu den gebräuchlichsten Antennentypen, da sie fast überall zu finden sind – an Autos, Gebäuden, Schiffen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen usw. Es gibt verschiedene Formen von Drahtantennen, wie z. B. gerade Linienantennen (Dipole), Schleifenantennen und Spiralantennen (siehe Abbildung 3). Schleifenantennen müssen nicht unbedingt kreisförmig sein. Sie können rechteckig, quadratisch, oval oder jede andere Form haben. Die kreisförmige Antenne ist aufgrund ihrer einfachen Struktur die am häufigsten verwendete.

Abbildung 3

2. Aperturantennen
Aperturantennen gewinnen aufgrund der steigenden Nachfrage nach komplexeren Antennenformen und der Nutzung höherer Frequenzen zunehmend an Bedeutung. Einige Aperturantennen (pyramidale, konische und rechteckige Hornantennen) sind in Abbildung 4 dargestellt. Diese Antennenart eignet sich besonders für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, da sie sich sehr einfach an der Außenhülle montieren lässt. Zusätzlich kann sie mit einer dielektrischen Schicht überzogen werden, um sie vor rauen Umgebungsbedingungen zu schützen.

Abbildung 4

3. Mikrostreifenantenne
Mikrostreifenantennen erfreuten sich in den 1970er-Jahren, vor allem für Satellitenanwendungen, großer Beliebtheit. Die Antenne besteht aus einem dielektrischen Substrat und einem Metallpatch. Der Metallpatch kann verschiedene Formen aufweisen, wobei die in Abbildung 5 dargestellte rechteckige Patchantenne am häufigsten vorkommt. Mikrostreifenantennen zeichnen sich durch ihre geringe Bauhöhe, ihre Eignung für ebene und nicht-ebene Oberflächen, ihre einfache und kostengünstige Herstellung, ihre hohe Robustheit bei der Montage auf starren Oberflächen und ihre Kompatibilität mit MMIC-Designs aus. Sie lassen sich auf Flugzeugen, Raumfahrzeugen, Satelliten, Raketen, Autos und sogar Mobilgeräten anbringen und können konform gestaltet werden.

Abbildung 5

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

Abbildung 6

5. Reflektorantenne
Der Erfolg der Weltraumforschung hat auch die rasante Entwicklung der Antennentheorie vorangetrieben. Aufgrund des Bedarfs an Kommunikation über extrem große Entfernungen müssen Antennen mit extrem hoher Verstärkung eingesetzt werden, um Signale über Millionen von Kilometern zu senden und zu empfangen. Eine gängige Antennenform in diesem Bereich ist die in Abbildung 7 dargestellte Parabolantenne. Diese Antennenart hat einen Durchmesser von 305 Metern oder mehr. Diese große Dimension ist notwendig, um die für die Übertragung oder den Empfang von Signalen über Millionen von Kilometern erforderliche hohe Verstärkung zu erzielen. Eine weitere Reflektorform ist der Eckreflektor, wie in Abbildung 7 (c) dargestellt.

Abbildung 7

6. Linsenantennen
Linsen dienen primär dazu, einfallende Streuenergie zu bündeln und so deren Ausbreitung in unerwünschte Richtungen zu verhindern. Durch geeignete Anpassung der Linsengeometrie und Wahl des passenden Materials lassen sich verschiedene Formen divergenter Energie in ebene Wellen umwandeln. Sie finden in den meisten Anwendungen Verwendung, beispielsweise in Parabolantennen, insbesondere bei höheren Frequenzen. Bei niedrigeren Frequenzen hingegen nehmen Größe und Gewicht der Linsenantennen stark zu. Linsenantennen werden nach ihren Konstruktionsmaterialien oder geometrischen Formen klassifiziert; einige Beispiele sind in Abbildung 8 dargestellt.