Welche elektrischen Leistungsparameter weisen Kommunikationsantennen auf?

Die elektrischen Leistungsparameter von Kommunikationsantennen sind wichtige Indikatoren zur Bewertung der Signalübertragungsfähigkeit, des Strahlungswirkungsgrades und der Impedanzanpassung. Sie lassen sich im Allgemeinen wie folgt klassifizieren:

1. Betriebsfrequenz und Betriebsbandbreite

Die Bandbreite einer Antenne bezeichnet den Frequenzbereich, in dem alle spezifizierten Leistungsanforderungen der Antenne erfüllt sind. Die Betriebsfrequenz umfasst alle Frequenzen innerhalb der Bandbreite der Antenne.

Da die Betriebsbandbreite durch mehrere Leistungsparameter begrenzt wird, sollte die schmalste dieser Bandbreiten als effektive Bandbreite angenommen werden. Bei eingebauten Antennen sind Bandbreiten, die durch Faktoren wie die Bandbreite des Strahlungsdiagramms und die Polarisationsbandbreite begrenzt werden, üblicherweise größer als die Impedanzbandbreite. Ein häufig verwendetes grobes Kriterium ist der Frequenzbereich, in dem das Stehwellenverhältnis (VSWR) unter einem festgelegten Grenzwert bleibt.

2. Stehwellenverhältnis (VSWR)

Wenn die Eingangsimpedanz der Antenne nicht mit der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung übereinstimmt (d. h. eine Fehlanpassung vorliegt), wird ein Teil der Eingangsleistung reflektiert. Das Stehwellenverhältnis (VSWR) ist ein wichtiger Parameter, der das Verhältnis zwischen einfallender und reflektierter Leistung beschreibt.

Das Stehwellenverhältnis (VSWR) hängt von der Eingangsimpedanz der Antenne ab. In manchen Fällen werden stattdessen die Rückflussdämpfung (RL) oder der Reflexionskoeffizient (Γ) verwendet; alle drei beschreiben dieselbe Eigenschaft. Ihre Zusammenhänge sind wie folgt:

Kennzahlen:

(P^-) ist die reflektierte Leistung

(P^+) ist die einfallende Leistung

(Z_L) ist die Eingangsimpedanz der Antenne.

(Z_0) ist die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung.

(U^+) ist die einfallende Spannung

(U^-) ist die reflektierte Spannung

3. Logarithmische Umrechnungsbeziehungen zwischen Rückflussdämpfung, VSWR und Reflexionskoeffizient

Rückflussdämpfung, VSWR und Reflexionskoeffizient sind unterschiedliche Darstellungen der Impedanzanpassungsleistung und können mithilfe der oben genannten Formeln logarithmisch umgerechnet werden.

4. Eingangsimpedanz

Die Eingangsimpedanz ist die Impedanz an den Antenneneingangsklemmen. Sie muss an die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung und der Steckverbinder angepasst sein. Bei Antennen für Mobilfunkbasisstationen beträgt die nominale Eingangsimpedanz typischerweise 50 Ω, was bedeutet, dass die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung und der Steckverbinder ebenfalls 50 Ω betragen sollte.

5. Gewinn

Der Antennengewinn stellt die kombinierte Wirkung von Strahlungsrichtwirkungsgrad und Energieumwandlungseffizienz dar. Er wird durch zwei Hauptfaktoren bestimmt: Strahlungsrichtwirkungsgrad und Strahlungseffizienz.

Die Verstärkung wird üblicherweise in Dezibel (dB) angegeben. Dezibel sind eine logarithmische Darstellung eines Verhältnisses:

Beispielsweise:

Die Einheit dBi gibt die Verstärkung relativ zu einem idealen isotropen Strahler an. In manchen Fällen wird dBd verwendet, was die Verstärkung relativ zu einem Halbwellendipol angibt. Die Umrechnungsformel lautet:

Beispielsweise:

6. Strahlungsmuster

Das Strahlungsdiagramm ist eine grafische Darstellung, wie die abgestrahlte Leistungsdichte bzw. Feldstärke in Abhängigkeit von der räumlichen Richtung variiert. Man unterscheidet zwischen horizontalen und vertikalen Strahlungsdiagrammen.

Viele Antenneneigenschaften lassen sich aus dem Strahlungsdiagramm ablesen, beispielsweise ob die Antenne omnidirektional oder gerichtet ist, die Strahlbreite, der Neigungswinkel, die Nullstellenfüllung und die Unterdrückung von Nebenkeulen. Um die Strahlungsleistung zu verbessern, ist die Optimierung des Strahlungsdiagramms ein wichtiger Bestandteil des Antennendesigns.

Ein dreidimensionales Strahlungsmuster veranschaulicht die gesamte Signalverteilung im Raum und ermöglicht die Beobachtung der Signalstärke in alle Richtungen.

Ein 2D-Strahlungsmuster wird typischerweise durch Schneiden des 3D-Musters entlang der XY-, YZ- und XZ-Ebenen erhalten, wodurch eine quantitative Auswertung der Signalstärkeverteilung in diesen Ebenen ermöglicht wird.