Die Richtwirkung ist ein grundlegender Antennenparameter. Sie beschreibt das Strahlungsmuster einer Richtantenne. Eine Antenne, die gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlt, hat eine Richtwirkung von 1 (entspricht null Dezibel – 0 dB).
Die Funktion sphärischer Koordinaten kann als normiertes Strahlungsmuster geschrieben werden:
[Gleichung 1]
Ein normiertes Strahlungsdiagramm hat dieselbe Form wie das ursprüngliche Strahlungsdiagramm. Das normierte Strahlungsdiagramm wird so reduziert, dass sein Maximalwert gleich 1 ist. (Der größte Wert entspricht Gleichung [1] von „F“). Mathematisch lässt sich die Formel für die Richtwirkung (Typ „D“) wie folgt darstellen:
Dies mag wie eine komplizierte Richtungsgleichung erscheinen. Die Strahlungsmuster von Molekülen sind jedoch von größter Bedeutung. Der Nenner repräsentiert die mittlere in alle Richtungen abgestrahlte Leistung. Die Gleichung gibt dann die maximale abgestrahlte Leistung geteilt durch den Mittelwert an. Dies ergibt die Richtwirkung der Antenne.
Richtungsparadigma
Betrachten wir beispielsweise die folgenden beiden Gleichungen für das Strahlungsmuster zweier Antennen.
Antenne 1
Antenne 2
Diese Strahlungsdiagramme sind in Abbildung 1 dargestellt. Bitte beachten Sie, dass der Strahlungsmodus nur vom Polarwinkel θ abhängt. Das Strahlungsdiagramm ist nicht vom Azimut abhängig (das azimutale Strahlungsdiagramm bleibt unverändert). Das Strahlungsdiagramm der ersten Antenne ist weniger gerichtet als das der zweiten Antenne. Daher ist zu erwarten, dass die Richtwirkung der ersten Antenne geringer ist.
Abbildung 1. Strahlungsdiagramm einer Antenne. Besitzt sie eine hohe Richtwirkung?
Mithilfe von Formel [1] lässt sich berechnen, dass die Antenne eine höhere Richtwirkung aufweist. Um Ihr Verständnis zu überprüfen, betrachten Sie Abbildung 1 und überlegen Sie, was Richtwirkung bedeutet. Bestimmen Sie anschließend, welche Antenne eine höhere Richtwirkung besitzt, ohne mathematische Berechnungen durchzuführen.
Ergebnisse der Richtungsberechnung, Formel [1] verwenden:
Berechnung für Richtantenne 1, 1,273 (1,05 dB).
Berechnung für Richtantenne 2, 2,707 (4,32 dB).
Eine höhere Richtwirkung bedeutet eine fokussiertere oder gerichtetere Antenne. Das heißt, eine 2-Antenne hat die 2,707-fache Richtwirkungsstärke einer Rundstrahlantenne. Antenne 1 empfängt die 1,273-fache Leistung einer Rundstrahlantenne. Rundstrahlantennen dienen als gängiger Referenzwert, obwohl keine isotropen Antennen existieren.
Mobilfunkantennen sollten eine geringe Richtwirkung aufweisen, da Signale aus jeder Richtung kommen können. Satellitenschüsseln hingegen haben eine hohe Richtwirkung. Eine Satellitenschüssel empfängt Signale aus einer festen Richtung. Wenn Sie beispielsweise eine Satellitenfernsehschüssel erwerben, gibt Ihnen der Anbieter die Ausrichtung vor, und die Schüssel empfängt das gewünschte Signal.
Wir schließen mit einer Liste der Antennentypen und ihrer Richtwirkung ab. Dies gibt Ihnen einen Überblick über die gängigen Richtwirkungen.
Antennentyp Typische Richtwirkung Typische Richtwirkung [Dezibel] (dB)
Kurze Dipolantenne 1,5 1,76
Halbwellendipolantenne 1,64 2,15
Patchantenne (Mikrostreifenantenne) 3,2–6,3 5–8
Hornantenne 10-100 10-20
Satellitenantenne 10-10.000 10-40
Wie die obigen Daten zeigen, variiert die Richtwirkung von Antennen stark. Daher ist es wichtig, die Richtwirkung zu verstehen, um die optimale Antenne für Ihre Anwendung auszuwählen. Wenn Sie Energie aus mehreren Richtungen in eine Richtung senden oder empfangen müssen, sollten Sie eine Antenne mit geringer Richtwirkung entwickeln. Beispiele für Anwendungen mit geringer Richtwirkung sind Autoradios, Mobiltelefone und drahtloser Internetzugang für Computer. Für Fernerkundung oder gezielte Energieübertragung benötigen Sie hingegen eine stark gerichtete Antenne. Stark gerichtete Antennen maximieren die Energieübertragung aus der gewünschten Richtung und reduzieren Signale aus unerwünschten Richtungen.
Angenommen, wir möchten eine Antenne mit geringer Richtwirkung. Wie erreichen wir das?
Die allgemeine Regel der Antennentheorie besagt, dass eine geringe Richtwirkung für eine Antenne mit geringer elektrischer Größe erforderlich ist. Das heißt, mit einer Antenne, deren Gesamtgröße 0,25 bis 0,5 Wellenlängen beträgt, lässt sich die Richtwirkung minimieren. Halbwellendipolantennen oder Halbwellenschlitzantennen weisen typischerweise eine Richtwirkung von weniger als 3 dB auf. Geringere Richtwirkung ist in der Praxis kaum zu erreichen.
Letztendlich können wir Antennen nicht kleiner als eine Viertelwellenlänge herstellen, ohne deren Effizienz und Bandbreite zu verringern. Antenneneffizienz und Bandbreite werden in späteren Kapiteln behandelt.
Für eine Antenne mit hoher Richtwirkung benötigen wir Antennen mit vielen Wellenlängen. Satellitenschüsselantennen und Hornantennen beispielsweise weisen eine hohe Richtwirkung auf. Dies liegt unter anderem daran, dass sie viele Wellenlängen lang sind.
Warum ist das so? Letztendlich liegt der Grund in den Eigenschaften der Fourier-Transformation. Die Fourier-Transformation eines kurzen Impulses liefert ein breites Spektrum. Diese Analogie lässt sich nicht auf die Bestimmung des Strahlungsdiagramms einer Antenne übertragen. Das Strahlungsdiagramm kann als Fourier-Transformation der Strom- oder Spannungsverteilung entlang der Antenne betrachtet werden. Daher weisen kleine Antennen breite Strahlungsdiagramme (und geringe Richtwirkung) auf. Antennen mit großer, gleichmäßiger Spannungs- oder Stromverteilung hingegen haben sehr gerichtete Strahlungsdiagramme (und hohe Richtwirkung).
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Veröffentlichungsdatum: 07.11.2023
