Die Richtwirkung ist ein grundlegender Antennenparameter. Sie gibt an, wie das Strahlungsmuster einer Richtantenne ist. Eine Antenne, die in alle Richtungen gleichmäßig strahlt, hat eine Richtwirkung von 1. (Dies entspricht null Dezibel -0 dB).
Die Funktion der Kugelkoordinaten kann als normalisiertes Strahlungsmuster geschrieben werden:
[Gleichung 1]
Ein normalisiertes Strahlungsdiagramm hat die gleiche Form wie das ursprüngliche Strahlungsdiagramm. Das normalisierte Strahlungsdiagramm wird so verkleinert, dass der Maximalwert des Strahlungsdiagramms 1 beträgt. (Der größte Wert ist Gleichung [1] von "F"). Mathematisch lautet die Formel für die Richtwirkung (Typ "D"):
Dies mag wie eine komplizierte Richtungsgleichung erscheinen. Die Strahlungsmuster von Molekülen sind jedoch von größtem Wert. Der Nenner stellt die durchschnittliche Strahlungsleistung in alle Richtungen dar. Die Gleichung ist dann ein Maß für die maximale Strahlungsleistung geteilt durch den Durchschnitt. Dies ergibt die Richtwirkung der Antenne.
Richtungsparadigma
Betrachten Sie als Beispiel die nächsten 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 eine Funktion des Polarwinkels Theta(θ) ist. Das Strahlungsdiagramm ist nicht abhängig vom Azimut. (Das azimutale Strahlungsdiagramm bleibt unverändert.) Das Strahlungsdiagramm der ersten Antenne ist weniger gerichtet als das Strahlungsdiagramm der zweiten Antenne. Daher ist zu erwarten, dass die Richtwirkung der ersten Antenne geringer ist.
Abbildung 1. Strahlungsdiagramm einer Antenne. Hat eine hohe Richtwirkung?
Mit Formel [1] lässt sich berechnen, dass die Antenne eine höhere Richtwirkung hat. Um Ihr Verständnis zu überprüfen, denken Sie an Abbildung 1 und was Richtwirkung ist. Bestimmen Sie dann ohne mathematische Berechnung, welche Antenne eine höhere Richtwirkung hat.
Richtungsbezogene Berechnungsergebnisse, verwenden Sie Formel [1]:
Berechnung der Richtantenne 1, 1,273 (1,05 dB).
Berechnung der Richtantenne 2, 2,707 (4,32 dB).
Eine erhöhte Richtwirkung bedeutet eine stärker fokussierte oder gerichtete Antenne. Das bedeutet, dass eine Antenne mit zwei Empfangspunkten die 2,707-fache Richtleistung ihrer Spitze hat als eine Rundstrahlantenne. Antenne 1 erhält die 1,273-fache Leistung einer Rundstrahlantenne. Rundstrahlantennen werden als allgemeine Referenz verwendet, obwohl es keine isotropen Antennen gibt.
Handyantennen sollten eine geringe Richtwirkung haben, 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 Satellitenschüssel fürs Fernsehen kaufen, teilt Ihnen der Hersteller mit, wohin Sie sie ausrichten müssen, damit die Schüssel das gewünschte Signal empfängt.
Zum Abschluss listen wir die Antennentypen und ihre Richtwirkung auf. So erhalten Sie einen Eindruck von der üblichen Richtwirkung.
Antennentyp Typische Richtwirkung Typische Richtwirkung [Dezibel] (dB)
Kurze Dipolantenne 1,5 1,76
Halbwellen-Dipolantenne 1,64 2,15
Patch (Mikrostreifenantenne) 3,2-6,3 5-8
Hornantenne 10-100 10-20
Parabolantenne 10-10.000 10-40
Wie die obigen Daten zeigen, variiert die Richtwirkung von Antennen stark. Daher ist es wichtig, die Richtwirkung zu kennen, um die beste 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. Anwendungsbeispiele für Antennen mit geringer Richtwirkung sind Autoradios, Mobiltelefone und drahtloser Internetzugang von Computern. Umgekehrt benötigen Sie für Fernerkundung oder gezielte Energieübertragung eine Antenne mit hoher Richtwirkung. 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 man für eine geringe Richtwirkung eine elektrisch kleine Antenne benötigt. Das heißt, wenn man eine Antenne mit einer Gesamtgröße von 0,25 bis 0,5 Wellenlängen verwendet, minimiert man die Richtwirkung. Halbwellen-Dipolantennen oder Halbwellen-Schlitzantennen haben typischerweise eine Richtwirkung von weniger als 3 dB. Dies ist die niedrigste Richtwirkung, die in der Praxis erreicht werden kann.
Letztendlich können wir keine Antennen kleiner als eine Viertelwellenlänge bauen, ohne die Effizienz und Bandbreite der Antenne zu reduzieren. Antenneneffizienz und Antennenbandbreite werden in späteren Kapiteln behandelt.
Für eine Antenne mit hoher Richtwirkung benötigen wir Antennen mit vielen Wellenlängen. Satellitenschüsseln und Hornantennen beispielsweise haben eine hohe Richtwirkung. Dies liegt unter anderem daran, dass sie viele Wellenlängen lang sind.
Warum ist das so? Der Grund liegt letztlich in den Eigenschaften der Fourier-Transformation. Die Fourier-Transformation eines kurzen Impulses ergibt ein breites Spektrum. Diese Analogie ist bei der Bestimmung des Strahlungsdiagramms einer Antenne nicht gegeben. Das Strahlungsdiagramm kann man sich als Fourier-Transformation der Strom- oder Spannungsverteilung entlang der Antenne vorstellen. Daher haben kleine Antennen ein breites Strahlungsdiagramm (und eine geringe Richtwirkung). Antennen mit großer, gleichmäßiger Spannungs- oder Stromverteilung hingegen haben sehr gerichtete Diagramme (und eine hohe Richtwirkung).
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Beitragszeit: 07.11.2023
