Antennentheorie und Antennenfelder

Antennen wandeln geführte Signale in abgestrahlte Wellen um und umgekehrt, charakterisiert durch Strahlungsdiagramm, Gewinn und Impedanz, und werden für die Richtwirkung zu Antennenfeldern kombiniert.

Definition

Die Antennentheorie untersucht Geräte, die elektromagnetische Wellen effizient abstrahlen oder empfangen, und quantifiziert ihre Leistung durch Strahlungsdiagramm, Richtwirkung, Gewinn, Impedanz und Polarisation. Antennenfelder kombinieren mehrere Elemente, um die Form und Richtung des abgestrahlten Strahls zu steuern.

Scope

Dieses Thema behandelt die Entwicklung von strahlenden Strukturen: lineare Antennen und Aperturantennen, Strahlungsdiagramm, Richtwirkung und Gewinn, Strahlungswiderstand, Eingangsimpedanz und Bandbreite, Polarisation, die Reziprozität von Senden und Empfangen sowie Antennenfelder mit ihrem Array-Faktor, Strahlsteuerung und Strahlformung. Es wendet die Strahlungstheorie auf praktische Kommunikations- und Sensorsysteme an.

Core questions

• Wie werden das Strahlungsdiagramm und der Gewinn einer Antenne bestimmt?
• Warum sind die Sende- und Empfangseigenschaften durch Reziprozität miteinander verbunden?
• Wie steuern und formen Antennenfelder den Strahl?

Key concepts

• Strahlungsdiagramm
• Richtwirkung
• Gewinn
• Strahlungswiderstand
• Eingangsimpedanz
• Reziprozität
• Array-Faktor
• Strahlformung

Key theories

Antennenparameter und Reziprozität

Eine Antenne wird durch Strahlungsdiagramm, Richtwirkung, Gewinn, Strahlungswiderstand und Impedanz beschrieben, und durch Reziprozität sind ihre Sende- und Empfangsmuster identisch.

Array-Faktor und Strahlformung

Das kombinierte Muster eines Antennenfeldes ist das Elementmuster multipliziert mit einem Array-Faktor, der durch den Elementabstand und die Phasenlage bestimmt wird, wodurch der Strahl gebündelt und elektronisch gesteuert werden kann.

Clinical relevance

Das Antennendesign ermöglicht mobile und Satellitenkommunikation, Radar und Fernerkundung, Radioastronomie-Arrays, drahtlose Energieübertragung und RFID sowie die in der Radarmedizin und Magnetresonanztomographie verwendeten Phased-Array- und Spulendesigns.

History

Hertz' Dipol und Schleife waren die ersten Antennen, und Marconi skalierte sie für die drahtlose Langstreckenkommunikation. Die Arbeit des 20. Jahrhunderts führte zu Richtantennenfeldern wie dem Yagi-Uda-Design, und Janskys Antenne detektierte kosmische Radiowellen, wodurch die Radioastronomie begründet wurde; Phased Arrays ermöglichten später die elektronische Strahlsteuerung.

Key figures

• Guglielmo Marconi
• Heinrich Hertz
• Karl Jansky

Seminal works

• balanis2016
• kraus2002

Frequently asked questions

Was ist Antennengewinn?

Der Gewinn misst, wie stark eine Antenne die abgestrahlte Leistung in ihrer bevorzugten Richtung im Vergleich zu einem isotropen Strahler konzentriert, wobei er Richtwirkung mit Effizienz kombiniert.

Wie kann ein Antennenfeld seinen Strahl steuern, ohne sich zu bewegen?

Durch Anpassen der relativen Phase des Signals, das jedem Element zugeführt wird, verschiebt ein Antennenfeld die Richtung, in der sich die Elementbeiträge konstruktiv addieren, wodurch der Strahl elektronisch gesteuert wird.