Hertz`scher Dipol

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Hertz`scher Dipol

Übersicht
• Antennen aus der Sicht der Speisung
• Antennen aus der Sicht des Fernfeldes
• Richtdiagramm und Strahldichte
• Wirkungsgrad, Richtfaktor, Gewinn,
effektive Sendeleistung (ERP)
• Ersatzschaltung einer Antenne,
Strahlungswiderstand
• Hertz'scher Dipol
Felder & Komponenten II
Copyright: Pascal Leuchtmann
Antennen
Es geht darum, elektromagnetische Energie in den freien Raum
zu bringen bzw. von dort einzufangen.
Strahlungsfeld
Leitung
Antenne
Sender/Empfänger
(Elektronik)
Zwei Tore
("ports")
• Gegen Zuleitung
• Gegen freien Raum
Beschreibung des Antenneneingangs
Anpassglied
"matching network"
Hinlaufende Welle
Antenne
Rücklaufende Welle
Impedanz
bzw. Reflexionsfaktor
Referenz!!
Beschreibung des Fernfeldes
Antenne
1.
nur für
lokal wie radial laufende Ebene Welle
2.
Stärke
der Strahlung
Polarisation
Beschreibung des Fernfeldes
Seitenkeulen
"side lobes"
Hauptkeule
"main lobe"
Antenne
Strahlungsdiagramm
Richtdiagramm
Antennendiagramm
Richtcharakteristik
Strahlungscharakteristik
Empfangscharakteristik
"radiation pattern"
Beispiel ("double rigded horn antenna")
Weiteres zum Richtdiagramm
• Enthält (meist) keine Information zur Polarisation
• 3D-Darstellung gibt nur qualitativen Eindruck
• Darstellung in einzelnen Ebenen:
90
180
0
auch kartesische Darstellung!
5 dB/div
-90
0
-10
-10
-10
-10
dB
0
dB
0
dB
0
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-90 -60 -30
0 30 60
Angle θ (degree)
90
0
0
0
0
-10
-10
-10
-10
dB
0 30 60 90
Angle θ (degree)
dB
-90 -60 -30
dB
0 30 60 90
Angle θ (degree)
-90 -60 -30
-90 -60 -30
dB
H-Ebene
Messung
FVTD
dB
E-Ebene
kartesische Darstellung
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-30
-30
-90 -60 -30
0 30 60
Angle θ (degree)
2 GHz
90
-90 -60 -30
0 30 60 90
Angle θ (degree)
4 GHz
-90 -60 -30
0 30 60 90
Angle θ (degree)
8 GHz
0 30 60 90
Angle θ (degree)
-90 -60 -30
0 30 60 90
Angle θ (degree)
16 GHz
Normalerweise bezogen auf
90
Manchmal auch auf Strahldichte
180
0
Achtung:
Nicht Poynting-Vektor!
5 dB/div
-90
• (x-dB-)Keulenbreite ("beam width")
90
gegeben in Grad (2D)
oder Steradiant (3D)
180
0
5 dB/div
-90
Strahlungsleistung und Wirkungsgrad
Anpassglied
"matching network"
Antenne
Antennenwirkungsgrad
Richtfaktor D ("directivity")
Richtdiagramm eines isotropen
Strahlers gleicher Leistung:
90
Richtfaktor:
180
0
5 dB/div
-90
Antennen-Gewinn G ("gain")
90
180
Antennen-Gewinn:
0
5 dB/div
-90
Antennen-Gewinn: Beispiel 1
Horn mit Spiegel: gemäss Hersteller G = 42 dB
gemessen: G = 32 dB
Nur 10% der erwarteten Leistung
im Bereich der Hauptkeule!
Antennen-Gewinn: Beispiel 2
Undercover-Antenne: Bestehendes System G = – 26 dB
(Draht-Dipol, fast auf der Haut)
Prototyp: G = – 12 dB
Ideale Antenne hätte
G = 0 dB wegen
Rundstrahlcharakteristik!
Effektive Sendeleistung
("effective radiated power", ERP)
Welche Leistung wäre nötig, wenn die tatsächliche ISV*
ei N
r bstrahlen
Antenne ein Kugelstrahler wäre, der soutstark
e
t
f
enHauptstrahlrichtung?
t
s
i
würde wie die gegebene Antenne
in
r
Ju
90
180
0
5 dB/div
-90
*Verordnung über die Nicht ionisierende Strahlung
G = 20dB → 10 W reale Leistung ergeben 1 kW ERP
Ersatzschaltung einer Antenne
1. Ideale Antenne:
Strahlungswiderstand
2. Reale Antenne:
2. Reale Antenne:
kompliziertere Ersatzschaltungen
sind möglich!
(z.B. um grösseren Frequenzbereich
abzudecken)
Antenne beim Empfangen
Wie beim
Senden!
Reziprozität
Empfangscharakteristik
=
Sendecharakteristik
Quelle
Gewinn G
Richtfaktor D
Drahtlose Übertragungsstrecke
return
loss
antenna
loss
transmission polarisation
loss
loss
alignment
loss
antenna
loss
Leistungsanpassung wo immer möglich!!
Hertz'scher Dipol
Berechnung des Feldes
explizit und analytisch
möglich!
(Kapitel 6, Fuk I)
Bild aus:
Pascal Leuchtmann:
"Einführung in die
elektromagnetische Feldtheorie",
Pearson, 2005.
Hertz'scher Dipol
1. Berechnung des Vektorpotentials
für alle "fernen" Punkte
2. Berechnung der Felder aus
3. Diskussion des Feldverlaufs
4. Berechnung der Antennenparameter
(soweit sinnvoll)
Hertz'scher Dipol: Vektorpotential
Hertz'scher Dipol: Felder aus
Lorentz-Eichung
weitere Komponenten verschwinden!
Hertz'scher Dipol: Feldverlauf
Dipolmoment
Hertz'scher Dipol: Nahfeld
Elektrisches
Feld
dominiert!
90º phasenverschoben
"keine" radiale Leistung im Mittel?!
Hertz'scher Dipol: Fernfeld
Ebene Welle in
radialer Richtung!
Hertz'scher Dipol: Strahldichte
Nur für
Hertz'scher Dipol: Strahlungsdiagramm
z
J
j
Hertz'scher Dipol: Abgestrahlte Leistung
Abgestrahlte Leistung
Richtfaktor ("directivity")
Hertz'scher Dipol: Strahlungswiderstand
Sehr viel kleiner als
die Wellenimpedanz
des Raumes!!
Hertz'scher Dipol
E-Feld: Pfeile
H-Feld: Dreiecke

Hertz`scher Dipol

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