Die Richtwirkung ist ein grundlegender Antennenparameter.Dies ist ein Maß dafür, wie das Strahlungsdiagramm einer Richtantenne ist.Eine Antenne, die in alle Richtungen gleichmäßig strahlt, hat eine Richtwirkung von 1. (Dies entspricht null Dezibel – 0 dB).
Die Funktion sphärischer Koordinaten kann als normalisiertes Strahlungsmuster geschrieben werden:
[Gleichung 1]
Ein normalisiertes Strahlungsmuster hat die gleiche Form wie das ursprüngliche Strahlungsmuster.Das normalisierte Strahlungsmuster wird um den Betrag reduziert, sodass der Maximalwert des Strahlungsmusters gleich 1 ist. (Der größte Wert ist Gleichung [1] von „F“).Mathematisch lautet die Formel für Direktionalität (Typ „D“) wie folgt:
Dies mag wie eine komplizierte Richtungsgleichung erscheinen.Von größtem Wert sind jedoch die Strahlungsmuster von Molekülen.Der Nenner stellt die durchschnittliche in alle Richtungen abgestrahlte Leistung dar.Die Gleichung ist dann ein Maß für die abgestrahlte Spitzenleistung dividiert durch den Durchschnitt.Dadurch erhält die Antenne eine Richtwirkung.
Richtungsparadigma
Betrachten Sie als Beispiel die nächsten beiden Gleichungen für das Strahlungsmuster zweier Antennen.
Antenne 1
Antenne 2
Diese Strahlungsmuster sind in Abbildung 1 dargestellt. Bitte beachten Sie, dass der Strahlungsmodus nur eine Funktion des Polarwinkels Theta (θ) ist. Das Strahlungsmuster ist keine Funktion des Azimuts.(Das azimutale Strahlungsmuster bleibt unverändert).Das Strahlungsmuster der ersten Antenne ist weniger gerichtet als das Strahlungsmuster der zweiten Antenne.Daher erwarten wir, dass die Richtwirkung für die erste Antenne geringer ist.
Abbildung 1. Strahlungsdiagramm einer Antenne.Hat eine hohe Direktionalität?
Mithilfe der Formel [1] können wir berechnen, dass die Antenne eine höhere Richtwirkung hat.Um Ihr Verständnis zu überprüfen, denken Sie an Abbildung 1 und darüber, was Direktionalität ist.Bestimmen Sie dann ohne Mathematik, welche Antenne eine höhere Richtwirkung hat.
Ergebnisse der Richtungsberechnung, 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 fokussiertere oder gerichtetere Antenne.Dies bedeutet, dass eine 2-Empfangsantenne die 2,707-fache Richtleistung ihrer Spitze hat als eine Rundstrahlantenne.Antenne 1 erhält die 1,273-fache Leistung einer Rundstrahlantenne.Omnidirektionale Antennen werden als allgemeine Referenz verwendet, obwohl es keine isotropen Antennen gibt.
Mobilfunkantennen sollten eine geringe Richtwirkung haben, da Signale aus jeder Richtung kommen können.Im Gegensatz dazu weisen Satellitenschüsseln eine hohe Richtwirkung auf.Eine Satellitenschüssel empfängt Signale aus einer festen Richtung.Wenn Sie beispielsweise eine Satelliten-TV-Antenne erwerben, teilt Ihnen das Unternehmen mit, wohin Sie diese richten müssen, und die Antenne empfängt das gewünschte Signal.
Wir schließen mit einer Liste der Antennentypen und ihrer Richtwirkung.Dadurch erhalten Sie eine Vorstellung davon, welche Direktionalität üblich ist.
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 der Antenne stark.Daher ist es wichtig, die Richtwirkung zu verstehen, wenn Sie die beste Antenne für Ihre spezifische Anwendung auswählen.Wenn Sie Energie aus mehreren Richtungen in eine Richtung senden oder empfangen müssen, sollten Sie eine Antenne mit geringer Richtwirkung entwerfen.Beispiele für Anwendungen für Antennen mit geringer Richtwirkung sind Autoradios, Mobiltelefone und der drahtlose Internetzugang von Computern.Umgekehrt ist bei der Fernerkundung oder der gezielten Energieübertragung eine hochgerichtete Antenne erforderlich.Stark gerichtete Antennen maximieren die Leistungsübertragung aus der gewünschten Richtung und reduzieren Signale aus unerwünschten Richtungen.
Nehmen wir an, wir wollen eine Antenne mit geringer Richtwirkung.Wie machen wir das?
Die allgemeine Regel der Antennentheorie besagt, dass man eine elektrisch kleine Antenne benötigt, um eine geringe Richtwirkung zu erzeugen.Das heißt, wenn Sie eine Antenne mit einer Gesamtgröße von 0,25 – 0,5 Wellenlängen verwenden, minimieren Sie die Richtwirkung.Halbwellen-Dipolantennen oder Halbwellen-Schlitzantennen haben typischerweise eine Richtwirkung von weniger als 3 dB.Dies ist der niedrigste Wert einer Direktionalität, den Sie in der Praxis erreichen können.
Letztendlich können wir Antennen nicht kleiner als eine Viertelwellenlänge machen, ohne die Effizienz der Antenne und die Bandbreite der Antenne zu verringern.Antenneneffizienz und Antennenbandbreite werden in zukünftigen Kapiteln besprochen.
Für eine Antenne mit hoher Richtwirkung benötigen wir Antennen mit vielen Wellenlängengrößen.Beispielsweise verfügen Satellitenantennen und Hornantennen über eine hohe Richtwirkung.Dies liegt zum Teil daran, dass sie viele Wellenlängen lang sind.
Warum das?Letztendlich liegt der Grund in den Eigenschaften der Fourier-Transformation.Wenn man die Fourier-Transformation eines kurzen Impulses durchführt, erhält man ein breites Spektrum.Diese Analogie gibt es bei der Bestimmung des Strahlungsmusters einer Antenne nicht.Das Strahlungsmuster kann man sich als Fourier-Transformation der Strom- oder Spannungsverteilung entlang der Antenne vorstellen.Daher haben kleine Antennen breite Strahlungsmuster (und eine geringe Richtwirkung).Antennen mit großer, gleichmäßiger Spannungs- oder Stromverteilung. Sehr gerichtete Muster (und hohe Richtwirkung).
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.11.2023
