Durch das spezielle Design der Antenne kann die Strahlungsdichte in eine bestimmte Raumrichtung konzentriert werden. Das Maß für die verlustfreie Antennenrichtwirkung ist der Antennengewinn. Sie hängt eng mit der Richtwirkung der Antenne zusammen. Im Gegensatz zur Richtwirkung, die lediglich die Richtcharakteristik einer Antenne beschreibt, berücksichtigt der Antennengewinn auch den Wirkungsgrad der Antenne.
Strahlung
Sie stellt somit die tatsächlich abgestrahlte Leistung dar. Dies ist in der Regel geringer als die vom Sender bereitgestellte Leistung. Da diese Leistung jedoch einfacher zu messen ist als die Richtwirkung, wird der Antennengewinn häufiger als die Richtwirkung verwendet. Unter der Annahme einer verlustfreien Antenne kann die Richtwirkung gleich dem Antennengewinn gesetzt werden.
Strahlung
Die Referenzantenne dient zur Definition des Antennengewinns. In den meisten Fällen handelt es sich bei der Referenzantenne um einen verlustfrei angenommenen Rundstrahler (Isotropstrahler oder Antenne), der gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlt, oder um eine einfache Dipolantenne, zumindest in der betrachteten Ebene.
Strahlung
Für die zu vermessende Antenne wird an einem Punkt in einer bestimmten Entfernung die Strahlungsdichte (Leistung pro Flächeneinheit) ermittelt und mit dem Wert einer Referenzantenne verglichen. Der Antennengewinn ist das Verhältnis zweier Strahlungsdichten.
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Erzeugt beispielsweise eine Richtantenne in einer bestimmten Raumrichtung die 200-fache Strahlungsdichte als eine isotrope Antenne, beträgt der Wert des Antennengewinns G 200 bzw. 23 dB.
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Antennenmuster
Ein Antennenmuster ist eine grafische Darstellung der räumlichen Verteilung der von einer Antenne abgestrahlten Energie. Je nach Anwendung soll die Antenne nur aus einer bestimmten Richtung, aber keine Signale aus anderen Richtungen empfangen (z. B. TV-Antenne, Radarantenne), wohingegen eine Autoantenne Sender aus allen möglichen Richtungen empfangen kann.
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Ein Antennenstrahlungsmuster ist eine grafische Darstellung der Elemente der Strahlungseigenschaften einer Antenne. Ein Antennenmuster ist normalerweise eine grafische Darstellung der Richtcharakteristik einer Antenne. Es stellt die relative Intensität der Energiestrahlung oder die Größe der elektrischen oder magnetischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Antennenrichtung dar. Antennendiagramme werden gemessen oder durch Simulationsprogramme auf einem Computer generiert, um beispielsweise die Richtwirkung einer Radarantenne grafisch darzustellen und so deren Leistung abzuschätzen.
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Im Vergleich zu Rundstrahlantennen, die gleichmäßig in alle Richtungen des Flugzeugs abstrahlen, bevorzugen Richtantennen eine Richtung und erreichen daher bei geringerer Sendeleistung eine größere Reichweite in dieser Richtung. Antennenstrahlungsmuster veranschaulichen grafisch die durch Messungen ermittelten Präferenzen. Durch die Reziprozität sind identische Sende- und Empfangseigenschaften der Antenne gewährleistet. Das Diagramm zeigt die Richtungsverteilung der Sendeleistung als Feldstärke und die Empfindlichkeit der Antenne beim Empfang.
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Die erforderliche Richtwirkung wird durch den gezielten mechanischen und elektrischen Aufbau der Antenne erreicht. Die Richtwirkung gibt an, wie gut eine Antenne in einer bestimmten Richtung empfängt oder sendet. Es wird in einer grafischen Darstellung (Antennenmuster) als Funktion von Azimut (horizontales Diagramm) und Höhe (vertikales Diagramm) dargestellt.
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Verwenden Sie kartesische oder polare Koordinatensysteme. Messungen in grafischen Darstellungen können lineare oder logarithmische Werte haben.
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Verwenden Sie viele Anzeigeformate. Kartesische Koordinatensysteme sowie Polarkoordinatensysteme sind sehr verbreitet. Das Hauptziel besteht darin, ein repräsentatives Strahlungsmuster horizontal (Azimut) für eine vollständige 360°-Darstellung oder vertikal (Elevation) meist nur für 90 oder 180 Grad darzustellen. Die Daten der Antenne lassen sich besser in kartesischen Koordinaten darstellen. Da diese Daten auch in Tabellen ausgedruckt werden können, wird in der Regel die aussagekräftigere Flugbahnkurvendarstellung in Polarkoordinaten bevorzugt. Im Gegensatz zum kartesischen Koordinatensystem gibt dieses direkt die Richtung an.
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Zur einfacheren Handhabung, Transparenz und maximalen Vielseitigkeit werden Strahlungsmuster normalerweise auf die Außenkanten des Koordinatensystems normalisiert. Das bedeutet, dass der gemessene Maximalwert auf 0° ausgerichtet und am oberen Rand des Diagramms aufgetragen wird. Weitere Messungen des Strahlungsmusters werden üblicherweise in dB (Dezibel) relativ zu diesem Maximalwert angezeigt.
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Der Maßstab in der Abbildung kann variieren. Es gibt drei Arten häufig verwendeter Plotskalen; linear, linear logarithmisch und modifiziert logarithmisch. Die lineare Skala betont den Hauptstrahl und unterdrückt normalerweise alle Nebenkeulen, da diese normalerweise weniger als ein Prozent der Hauptkeule ausmachen. Die linear-logarithmische Skala stellt die Nebenkeulen jedoch gut dar und wird bevorzugt, wenn die Pegel aller Nebenkeulen wichtig sind. Allerdings erweckt es den Eindruck einer schlechten Antenne, da die Hauptkeule relativ klein ist. Die modifizierte logarithmische Skala (Abbildung 4) betont die Form des Hauptstrahls, während die Nebenkeulen mit sehr niedrigem Pegel (<30 dB) zur Mitte des Modus hin komprimiert werden. Daher ist die Hauptkeule doppelt so groß wie die stärkste Nebenkeule, was für die visuelle Darstellung von Vorteil ist. Allerdings wird diese Darstellungsform in der Technik kaum genutzt, da es schwierig ist, genaue Daten daraus abzulesen.
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horizontales Strahlungsmuster
Das horizontale Antennendiagramm ist eine Draufsicht auf das elektromagnetische Feld der Antenne, ausgedrückt als zweidimensionale Ebene mit der Mitte der Antenne.
Der Zweck dieser Darstellung besteht darin, einfach die Richtwirkung der Antenne zu ermitteln. Typischerweise wird der Wert -3 dB auch als gestrichelter Kreis auf der Skala angegeben. Der Schnittpunkt zwischen der Hauptkeule und diesem Kreis ergibt die sogenannte halbe Strahlbreite der Antenne. Weitere leicht ablesbare Parameter sind das Vorlauf-/Rückzugsverhältnis, also das Verhältnis zwischen Hauptkeule und Nachlaufkeule, sowie die Größe und Richtung der Nebenkeulen.
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Bei Radarantennen ist das Verhältnis zwischen Hauptkeule und Nebenkeule wichtig. Dieser Parameter wirkt sich direkt auf die Bewertung des Radar-Interferenzgrades aus.
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vertikales Strahlungsmuster
Die Form eines vertikalen Musters ist ein vertikaler Querschnitt einer dreidimensionalen Figur. Im gezeigten Polardiagramm (ein Viertelkreis) ist die Antennenposition der Ursprung, die X-Achse die Radarreichweite und die Y-Achse die Zielhöhe. Eine der Antennenmesstechniken ist die solare Stroboskopaufnahme mit dem Messtool RASS-S von Intersoft Electronics. Das RASS-S (Radar Analysis Support System for Sites) ist ein herstellerunabhängiges Radarsystem zur Bewertung verschiedener Elemente eines Radars durch Verknüpfung mit bereits verfügbaren Signalen unter Betriebsbedingungen.
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Abbildung 3: Vertikales Antennenmuster mit Kosekansquadrat-Charakteristik
In Abbildung 3 sind die Maßeinheiten Seemeilen für die Entfernung und Fuß für die Höhe. Aus historischen Gründen werden diese beiden Maßeinheiten auch heute noch im Flugverkehrsmanagement verwendet. Diese Einheiten sind von untergeordneter Bedeutung, da die aufgezeichneten Strahlungsmengen als relative Werte definiert sind. Dies bedeutet, dass die Ziellinie den mit Hilfe der Radargleichung berechneten Wert der (theoretischen) maximalen Reichweite angenommen hat.
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Die Form des Diagramms liefert nur die erforderlichen Informationen! Um den absoluten Wert zu erhalten, benötigen Sie ein zweites Diagramm, das unter den gleichen Bedingungen gemessen wurde. Sie können die beiden Diagramme vergleichen und feststellen, dass die Antennenleistung übermäßig stark ansteigt oder abnimmt.
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Radiale sind Markierungen für Höhenwinkel, hier in Halbgradschritten. Eine ungleiche Skalierung der X- und Y-Achsen (viele Fuß gegenüber vielen Seemeilen) führt zu nichtlinearen Abständen zwischen Höhenmarkierungen. Die Höhe wird als lineares Gittermuster angezeigt. Das zweite (gestrichelte) Gitter orientiert sich an der Erdkrümmung.
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Dreidimensionale Darstellungen von Antennendiagrammen sind meist computergenerierte Bilder. Meistens werden sie von Simulationsprogrammen generiert und ihre Werte liegen überraschend nahe an den tatsächlich gemessenen Diagrammen. Die Erstellung einer echten Messkarte bedeutet einen enormen Messaufwand, da jedes Pixel des Bildes einen eigenen Messwert darstellt.
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Eine dreidimensionale Darstellung des Antennenmusters in kartesischen Koordinaten einer Radarantenne an einem Kraftfahrzeug.
(Die Leistung wird in absoluten Werten angegeben! Daher wählen die meisten Antennenmessprogramme einen Kompromiss für diese Darstellung. Nur der vertikale und horizontale Teil des Diagramms durch die Antenne können als tatsächliche Messungen verwendet werden.
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Alle anderen Pixel werden berechnet, indem die gesamte Messkurve des vertikalen Diagramms mit der Einzelmessung des horizontalen Diagramms multipliziert wird. Die benötigte Rechenleistung ist enorm. Abgesehen von einer gefälligen Darstellung in Präsentationen ist ihr Nutzen fraglich, da aus dieser Darstellung im Vergleich zu zwei getrennten Plots (horizontale und vertikale Antennenplots) keine neuen Informationen gewonnen werden können. Im Gegenteil: Gerade in Randgebieten dürften die mit diesem Kompromiss erzeugten Grafiken deutlich von der Realität abweichen.
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Darüber hinaus können 3D-Plots in kartesischen und Polarkoordinaten dargestellt werden.
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Unter der Strahlbreite einer Radarantenne versteht man üblicherweise die Strahlbreite halber Leistung. Die maximale Strahlungsintensität wird in einer Reihe von Messungen ermittelt (hauptsächlich in einem schalltoten Raum) und dann werden die Punkte auf beiden Seiten des Peaks ermittelt, die die auf die halbe Potenz erhöhte Peakintensität darstellen. Der Winkelabstand zwischen Halbwertspunkten wird als Strahlbreite definiert. [1] Die halbe Leistung in Dezibel beträgt −3 dB, also die halbe Strahlkraft
