Wesentliche Eigenschaften und Besonderheiten von Antennen im GHz-Bereich
Nach einem Vortrag auf der UKW-Tagung 1975 in Weinheim.
Wegen zunehmender Belegung der Frequenz-Bereiche unter 1 GHz und wegen der Möglichkeit, im Bereich von einigen GHz mit tragbarem Aufwand scharf bündelnde Antennen, das heißt Antennen mit einer Halbwertsbreite von 1° oder kleiner, herstellen zu können, wird immer mehr für die verschiedensten Funkdienste der Frequenzbereich über 1 GHz benutzt. Mit kleiner werdender Halbwertsbreite wächst der Gewinn der Antenne, so daß man mit kleinen Senderleistungen unter Umständen große Entfernungen überbrücken kann. Die Besonderheiten der Ausbreitungsbedingungen im Frequenzbereich über 1 GHz müßten in einem gesonderten Aufsatz behandelt werden.
1. Mikrowellen-Antennen
Wir wollen uns hier auf Antennen für Frequenzen von 3 bis 30 GHz beschränken, weil ab 3 GHz die Unterschiede gegenüber UKW-Antennen besonders deutlich hervortreten und weil die Frequenzen oberhalb 30 GHz in der Praxis noch wenig benutzt werden. Der Frequenzbereich 3...30 GHz wird nach der Wellenlänge auch der "Zentimeterwellenbereich" genannt. In ihm gibt es eine verwirrend bunte Vielfalt von Antennenbauformen mit verschiedenen Ausführungen. Wir wollen uns auf die wichtigsten und in der Praxis oft verwendeten Typen konzentrieren. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die verschiedenen Bauformen; am ausführlichsten wird die Familie der Apertur-Antennen behandelt.
| Apertur-Antennen | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Hornstrahler | Spiegelantennen | Antennen aus diskreten Elementen | Logarithmisch-Periodische Ant. | Spiralantennen | Längsstrahler | Linsenantennen |
| Pyramidenhorn Sektorhorn Rillenhorn Kegelhorn Doppelkonushorn |
Parabol-Antennen Muschel-Antenne Hornparabol-Antenne Cassegrain-Antenne Zylinderparabol |
Hohlleiter-Schlitz strahler Gruppenstrahler Antenne in gedruckter Technik Phasengesteuerte Gruppenstr. |
LP-V-Antenne LP-Dipolantenne |
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Dipl.Ing. Hellmut Berner ist Mitarbeiter der Standard Elektrik Lorenz AG.
2. Die charakteristischen Eigenschaften
- Die Zentimeterwellen-Antennen, häufig auch Mikrowellen-Antennen genannt, sind groß gegen die Wellenlänge. Zu ihrer Berechnung und auch zum Verständnis ihres Strahlungsmechanismus sind daher meistens geometrisch-optische Gesetze anwendbar.
- Als strahlende Körper dienen nicht mehr lineare Gebilde, wie zum Beispiel Dipole, sondern Flächen oder besonders geformte Hohlleiter, z.B. Hörner.
- Bei im allgemeinen handlicher Größe ist eine scharfe Bündelung der abgestrahlten Energie möglich. Das bedeutet sowohl hohen Richtfaktor als auch schmale Vertikaldiagramme der Antennen. Ein hoher Richtfaktor schließt Störungen anderer Funkdienste bei gleicher Frequenz weitgehend aus, sofern sie räumlich außerhalb der Hauptkeule liegen. Durch ein schmales Vertikaldiagramm kann der Einfluß des Erdbodens (Bodenreflexionen) praktisch zum Verschwinden gebracht werden.
In den folgenden Zeilen ist zwischen "Gewinn" und "Richtfaktor" einer Antenne unterschieden. Beide Bezeichnungen sind im Sinne der NTG-Empfehlung 1301 von 1969 gebraucht. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß bei der Definition des Gewinns die gleiche Leistung in die zu messende und in die Vergleichsantenne eingespeist wird, während in der Definition des Richtfaktors bei beiden Antennen die gleiche abgestrahlte Leistung vorausgesetzt wird. Der Richtfaktor wird deshalb manchmal auch "Strahlungsgewinn" genannt. Der Zusammenhang zwischen Gewinn G und Richtfaktor D (von Directivity) ist gegeben durch:
G = η × D
mit dem Antennenwirkungsgrad η ≤ 1.
Der Gewinn schließt also die Verluste auf der Antenne und in eventuell notwendigen Symmetrier- und Anpaß-Schaltungen ein.
Der Richtfaktor kann aus dem gemessenen Strahlungsdiagramm durch Integration gewonnen werden und erfaßt daher die Verluste nicht.
Als Vergleichs- oder Bezugsstrahler werden oft entweder der Halbwellendipol (λ/2-Dipol) oder der Kugelstrahler (Isotropstrahler) angegeben. In diesem Aufsatz sind die Angaben für Gewinn und Richtfaktor stets auf den Kugelstrahler bezogen und im logarithmischen Maß (dB) angegeben.
3. Wichtige technische Ausführungen unf ihre Eigenschaften
3.1. Apertur-Antennen oder Strahlende Flächen
3.1.1. Hornstrahler
Man kann die Öffnung des Horns, auch Apertur genannt, als strahlende Fläche betrachten und daraus die hauptsächlichen Strahlungseigenschaften berechnen. Man stellt sich dabei die Fläche mit unendlich vielen und unendlich kleinen Elementarstrahlern belegt vor. Durch die Interferenz der vielen Einzelstrahlungen entsteht das Richtdiagramm. Der Richtfaktor kann beim Pyramidenhorn (Bild 1) überschlägig berechnet werden aus:
Mit a und b: Kantenlängen der Aperturfläche.
Bild 1: Hornstrahler.
Er liegt in der Praxis zwischen 15 und 25 dB. Hörner solcher Größe zeichnen sich durch schwach ausgeprägte Nebenzipfel aus. Macht man das Horn und somit den Richtfaktor jedoch größer, so treten die Nebenkeulen stark hervor. Wählt man den Öffnungswinkel des Hornes genügend klein, z.B. 10°, so läßt sich ein Horn im Frequenzbereich 1 : 1,5 gut anpassen. Besondere Bauformen gehen bei einem SWV von 2,5 : 1 sogar über einen Frequenzbereich von 1 : 10.
Außer dem erwähnten Pyramidenhorn verwendet man häufig auch das Kegelhorn, das Sektorhorn, das Rillenhorn oder das Doppelkonushorn. Da die Hornstrahler verhältnismäßig leicht herzustellen sind, benutzt man sie sehr gerne als Einzelstrahler, als Gewinn-Normal bei Gewinn-Messungen, als Erreger in Spiegel-Antennen oder auch als Einzelelement in "phased arrays" (Abschnitt 3.1.3.).
3.1.2. SPIEGELANTENNEN
Die größte Gruppe der Aperturantennen stellen die Spiegelantennen (Tabelle 2) dar. Ihre Wirkungsweise kann mit der eines Autoscheinwerfers verglichen und muß daher nicht besonders erläutert werden. Weil wie in der Optik die Spiegelfläche groß gegen die Wellenlänge sein muß, verwendet man diese Antennen im Regelfall nur im Zentimeter- und Millimeter-Wellenbereich.
| Benennung | Prinzip | Verwendung | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Einfache schmale Keule | Geformte Keule | Mehrfach-Keule | ||||||
| Front-gespeiste Parabolantenne |  | Richtfunk | ||||||
| Erdefunkstellen | Erdefunkstellen | |||||||
| Weltraumforschung | Satelliten Bord-Antennen | |||||||
| Radar | Radar | Radar | ||||||
| Muschel-Antenne |  | Richtfunk | ||||||
| Hornparabolantenne |  | Richtfunk | ||||||
| Erdefunkstellen | ||||||||
| Zylinder-Parabol-Antenne |  | Radar | ||||||
| Richtfunk | Radar | ||||||
| Erdefunk-stellen | ||||||||
| Weltraumforschung | ||||||||
Die Spiegelantennen zeichnen sich durch ihre einfache und robuste Bauform, sowie durch die verhältnismäßig einfache Speisung und durch gutes Vor- Rückverhältnis aus. Die einfachste und daher am häufigsten verwendete Bauform ist die frontgespeiste Parabol-Antenne (Bild 2).
Bild 2: Frontgespeiste Parabolantenne.
Der Spiegel, ein Rotationsparaboloid, wird von einem Horn von vorne angestrahlt. Die Energiezufuhr zum Horn erfolgt durch einen gebogenen Hohlleiter, Schwanenhals genannt. Das Horn sitzt im Brennpunkt des Spiegels. Der Richtfaktor hängt vom Verhältnis (D/Λ)2 ab und beträgt bei üblichen Ausführungen zwischen 10 dB und 60 dB. Bei gegebener Wellenlänge wächst also der Richtfaktor mit steigendem Durchmesser.
Jedoch wachsen auch hier die Bäume nicht in den Himmel, denn die unvermeidbaren Toleranzen der Spiegeloberfläche vermindern den Richtfaktor wieder, wie Bild 3 zeigt. Der auf den Kugelstrahler bezogene Gewinn GK wurde nach folgender Formel errechnet:
und der Maximalgewinn 
Mit:
η = Flächenausnutzung
Δ = Quadratischer Mittelwert der Maßabweichungen
D = Spiegeldurchmesser
λ = Betriebswellenlänge
Bild 3: Gewinn einet Parabolantenne und Maßabweichungen der Spiegelfläche.
Als Strahlungsquelle, hier meist Erreger genannt, kommen Hörner in Frage, die rechteckige (Bild 4), quadratische oder runde Apertur haben können.
Bild 4: Rechteckiger Hornstrahler für 4 GHz.
Die Strahlungsdiagramme der E- und H-Ebene sind trotz quadratischer Apertur wegen der unterschiedlichen Strombelegung in der E-Ebene und H-Ebene verschieden (Bild 5).
Bild 5: Strahlungsdiagramme eines quadratischen Horn.
Da Nebenkeulendämpfung und Richtfaktor einer Parabolantenne durch die Verteilung der vom Erreger auf den Spiegel gestrahlten Energie wesentlich beeinflußt werden, hat man Mittel gesucht, diese Strahlungsverteilung möglichst günstig zu gestalten. Das FTZ in Darmstadt entwickelte deshalb einen sogenannten Koaxialstrahler (Bild 6), der mehrere Wellentypen in seiner Aperturebene erregt (Bild 7) und damit eine annähernd rotationssymmetrische Energieverteilung auf dem Reflektor erreicht.
Bild 6: Laborausführung eines koaxialen Mehrmoden-Erregers.
Bild 7: Koaxialer Mehrmoden-Erreger (nach FTZ Darmstadt).
Eine angenähert rotationssymmetrische Energieverteilung erzielt man auch durch eine "Rillenhorn" (Bild 8 und 9).
Bild 8: Rillenhorn (corrugated Horn).
Bild 9: Laborausführung eines Rillenhorns.
Auch hier entsteht noch ein anderer Wellentyp, welcher die Energieverteilung günstig beeinflußt.
Ähnlich wie die frontgespeiste Parabolantenne sind auch die Muschel-Antenne (Bild 10) und die Hornparabol-Antenne (Bilder 11 und 12) aufgebaut. Das Unterscheidungsmerkmal ist, daß man hier keinen rotationssymmetrischen Spiegel, sondern nur Ausschnitte aus einem Rotations-Paraboloid verwendet.
Bild 10: Muschelantenne.
Bild 11: Prinzip der Hornparabol-Antenne.
Bild 12: Hornparabol-Antenne.
Diese Antennen haben eine wesentlich bessere Winkeldämpfung als die frontgespeiste Parabolantenne, wegen der asymmetrischen Bauart sind jedoch Horizontal- und Vertikaldiagramm unterschiedlich. Die geschlossene Bauweise macht sie gegen Witterungseinflüsse unempfindlich.
Eine wiederum rotationssymmetrische Bauweise besitzt die Cassegrain-Antenne, bei der die Strahlen zweimal umgelenkt werden (Bilder 13 und 14).
Bild 13: Prinzip der Cassagrain-Antenne.
Bild 14: 3-m-Cassegrain-Antenne für Richtfunk.
Diese Bauart hat den Vorteil, daß man die gekrümmte, lange Speiseleitung des Parabolspiegels durch sehr kurze Leitungen ersetzen kann. Dies ist beispielsweise für die Antennen der Weltraumforschung wichtig, weil die Leitungsdämpfung vom Erreger zum Empfänger möglichst klein sein soll.
Ein weiterer Vorteil besteht in dem rotationssymmetrischen Aufbau, so daß man zwei Wellen mit zueinander senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen gleichermaßen gut übertragen kann. Als Nachteil mag gelten, daß der Subreflektor einen Teil der Spiegelfläche abschattet, so daß die ersten Nebenkeulen gegenüber der Hauptkeule nur um 13 bis 17 dB gedämpft sind (Bild 15), gegenüber 18 bis 23 dB bei den anderen Antennen.
Bild 15: Strahlungsdiagramme einet Cassegrain-Antenne mit 3 m Durchmesser, f = 6 GHz.
Die genannten Spiegelantennen werden mit Richtfaktoren von 20 bis 60 dB beim Richtfunk, in der Raumfahrt, Weltraumforschung in Erdefunkstellen für Satellitenverbindungen (Bild 16) und in Radaranlagen verwendet.
Bild 16: Antenne 1 der Erdefunkstelle Raising.
Zu erwähnen ist noch die Zylinder-Parabol-Antenne, bei welcher die Spiegelkontur nur in einer Schnittebene eine Parabel ist (Bild 17).
Bild 17: Zylinder-Parabol-Antenne.
Bei dieser Bauart entstehen Strahlungsdiagramme mit sehr unterschiedlicher Bündelung in der Horizontal-Ebene und in der Vertikalebene, wie man sie bei Radar-Anlagen häufig braucht. Beispiel: Horizontale Halbwertsbreite: 2,4°, Vertikale Halbwertsbreite: 6,5°.
Als Erreger wird vorwiegend ein geschlitzter Hohlleiter (Bild 18) verwendet. Das ist ein gerader Hohlleiter, in dessen dem Spiegel zugewendete Seite Schlitze eingefräst sind. Diese Schlitze strahlen Energie in Richtung auf den Spiegel. Je nach der Geometrie der Schlitze kann die abgestrahlte Energie über die Hohlleiterlänge variiert werden; durch geeignete Verteilung der Energie in der Ebene des Hohlleiters erreicht man eine Nebenkeulendämpfung von 20 dB und mehr.
Bild 18: Geschlitzter Hohlleiter R 100 (X-Band).
3.1.3. Antennen mit Diskreten Elementen
Wie in den tieferen Frequenzbereichen, zum Beispiel im UKW-Bereich, setzt man auch im Zentimeterwellen-Bereich Strahlergruppen aus vielen Einzelstrahlern zusammen. Man kann dadurch beliebige Diagrammformen erzielen. Als Einzelstrahler-Element kommen Hörner der verschiedenen Formen oder geschlitzte Hohlleiter, wie oben angegeben in Frage. Bild 19 zeigt als Beispiel einen Gruppenstrahler aus mehreren geschlitzten Hohlleitern.
Bild 19: Gruppenstrahler mit mehreren geschlitzten Hohlleitern
Abhängig von den Kantenlängen der Strahlergruppe und von der Verteilung der abgestrahlten Energie kann man Bündelung und Nebenkeulendämpfung gestalten. Im gezeigten Beispiel ist die Gruppe etwa 500 mm breit und 500 mm hoch, die Halbwertsbreite in der Horizontalebene und in der Vertikalebene beträgt etwa 5 0, die Dämpfung der Nebenkeulen mindestens 20 dB (Bild 20).
Bild 20: Strahlungsdiagramm einer Radar-Antenne
Der "phasengesteuerte Gruppenstrahler" stellt eine besonders interessante Art der Gruppenstrahler dar. Hier steuern elektronische Phasenschieber die Speisephasen der Einzelelemente, so daß entsprechend dem Gesetz der Phasensteuerung die Strahlrichtung des Strahlungsdiagrammes schwenkt. Ein zwar sehr spezielles, aber sehr aufschlußreiches Beispiel zeigt das Bild 21.
Bild 21: Prinzip eines phasengesteuerten Gruppenstrahlers mit "optischer Speisung".
Die Verteilung der Energie auf die einzelnen Strahler erfolgt hier nicht durch Leitungen, sondern im freien Raum durch Strahlung zwischen dem Primärstrahler und einer Vielzahl von Kollektorantennen. In jede Leitung zwischen den die Energie auffangenden Kollektorantennen und den abstrahlenden Emitterantennen ist ein Phasenschieber geschaltet. Durch entsprechende Einstellung der Phasen wird die Keule in zwei Ebenen geschwenkt (Bild 22).
Bild 22: Strahlauslenkung des phasengesteuerten Gruppenstrahlers in der Azimutebene.
Ein kommender Trend der Gruppenstrahler ist die Ausführung in gedruckter Technik. Dabei sind die Einzelstrahler nicht mehr Einzelstücke, sondern sie sind in größerer Zahl auf einer "Leiterplatte" zusammengefaßt. Der Vorteil liegt darin, daß die Herstellung bei großen Stückzahlen einfach und billig wird, und daß die Antenne sehr flach und leicht ist. Dem steht der Nachteil gegenüber, daß die Verluste relativ hoch sind. Bei Verwendung von PTFE (Teflon) als Trägermaterial treten im X-Band etwa 2 dB Dämpfung je m, bei einem Hohlleiter aber nur ca. 0,1 dB Dämpfung pro m auf. Und 1 m Leitung ist auch bei einer kleinen Antenne schnell verbaut. Man muß daher mit 3 bis 9 dB Verlusten in einer gedruckten Antenne rechnen.
Als Beispiel, stellvertretend für viele verschiedene Bauformen zeigt Bild 23 eine Schlitzantenne in gedruckter Technik.
Bild 23: Schlitzantenne in gedruckter Technik.
In die Vorderseite der einen Leiterplatte sind Schlitze geätzt, welche als strahlende Elemente wirken. Die Schlitze sind an einen Streifenleiter angekoppelt und werden so von diesem mit Energie versorgt. Der Leiter ist geneigt, weil die Ankopplung entsprechend der benötigten Energieverteilung von Schlitz zu Schlitz unterschiedlich ist. Das Trägermaterial ist glasfaser-verstärktes Teflon. Gedruckte Antennen werden in der heutigen Technologie wegen der Größe der Ätztoleranzen bis höchstens etwa 35 GHz hergestellt.
3.2. Spiralantennen
Eine Klasse für sich stellen die Spiralantennen dar. Sie werden in gedruckter Technik hergestellt. Im abgebildeten Fall (Bild 24) sind zwei Spiralen in einer Ebene aufgewickelt. Die beiden inneren Enden der Spiralen werden symmetrisch gespeist. Diese Art läßt sich mit einem aufgewickelten Dipol vergleichen. Wegen des variablen Abstandes der beiden Spiralen entsteht für jede Wellenlänge an einem anderen Ort der Spirale eine Resonanz, die Antenne ist also über einen sehr weiten Frequenzbereich (1 : 10 bis 1 : 40) zu gebrauchen. Die Polarisation ist bei tiefen Frequenzen linear und wird mit wachsender Frequenz zunehmend zirkular. Die Abstrahlung erfolgt senkrecht zur Ebene der Spirale, die Halbwertsbreite liegt bei ausgeführten Antennen (Bild 25) um 90°. Diese Antenne wird fast ausschließlich in der Luftfahrt verwendet. Ihr großer Vorteil liegt in der sehr großen Bandbreite.
Bild 24: Prinzip der gleichwinkligen Spiralantenne; rechts: Ausbilding der Speisestelle.
Bild 25: Ausgeführte Spiral-Antenne mit einseitiger Abstrahlung.
Man kann die Spirale auch auf einen Kegel aufwickeln und erhält die "konische Spiralantenne" mit einem etwa halbkugelförmigen Strahlungsdiagramm.
3.3. Logaritmisch Periodische Antennen
Zum Schluß seien die logarithmisch periodischen Antennen erwähnt.
Mehrere gespeiste Dipole sind entweder in einer Linie (Bild 26) oder in zwei V-förmig zueinander stehenden Linien angeordnet (Bild 27).
Bild 26: Ebene logaritmische-periodische Dipol-Antenne.
Bild 27: Pyramidenförmige logaritmische-periodische Antenne.
Die Längen der Dipole und ihre Abstände sind durch die Maßzahl τ miteinander verknüpft.
Ändert man die Betriebsfrequenz einer solchen Antenne kontinuierlich, so sind immer wieder andere Dipole annähernd auf die augenblickliche Frequenz abgestimmt. Die elektrischen Eigenschaften (z. B. die Halbwertsbreite) verändern sich deshalb periodisch mit dem Logarithmus der Frequenz; daher die Bezeichnung "logarithmisch-periodische Antenne".
Dieser Antennen-Typ zeichnet sich ebenfalls durch einen sehr großen Frequenzbereich (1 : 10 bis 1 : 20) aus. Der Richtfaktor ist begrenzt, weil immer nur ein Teil der Antenne voll strahlt. Er beträgt im Mittel etwa 7 dB. Die Dipole, welche für hohe Frequenzen in Resonanz sein sollen, werden natürlich sehr klein. Auf dem Markt sind solche Antennen daher heute bis etwa 12 GHz.
Man verwendet log. period. Antennen entweder als Einzelstrahler oder auch als Erreger von Parabol-Antennen.
Außer den geschilderten Bauformen finden noch Linsen-Antennen und Längs- Strahler Verwendung. Sie haben aber zahlenmäßig keine große Bedeutung erlangt, deshalb sind diese Bauformen - um den Rahmen dieses Berichtes nicht zu sprengen - nicht betrachtet worden.
Hellmut Berner, VDE/NTG