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Physik – Hochfrequenzstrahlung

Antennen

Der elektrische Schwingkreis

Für das Verständnis einer Antenne sind elektrotechnische Kenntnisse unumgänglich. Das Grundprinzip ist der Schwingkreis. Schaltet man eine Spule und einen Kondensator zusammen so erhält man einen resonanzfähigen elektrischen Schwingkreis: die Energie wird (auf der Basis des Induktionsprinzips) zwischen dem elektrische Feld des Kondensators und dem magnetischen Feld der Spule periodisch ausgetauscht. Die Stromstärke und die Spannung schwanken versetzt zueinander (wenn der Strom maximal ist, ist die Spannung Null und umgekehrt). Eine Antenne ist nichts anderes, als eine solche Schaltung, deren Kondensator „geöffnet“ und deren Spule „ausgewickelt“ ist (sog. Dipolantenne, Figur). Ein Dipol ist mit anderen Worten ein einfacher Draht der als Schwingkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität wirkt.

Dipolantenne

Ladungsmaxima befinden sich bei einer Dipolantenne an den Enden des Drahts, Strommaxima in der Mitte. Die stärksten elektrischen Felder (in der Abbildung sind die Feldlinien der elektrischen Felder blau eingezeichnet; das Bild stellt die Abstrahlung in 3D dar, also als ein Art "Kugelstrahler") misst man dann, wenn kein Strom in der Antenne fliesst, die stärksten magnetischen Felder (einige magnetischen Feldlinien sind in der Abbildung in Rot visualisiert), wenn keine Spannung messbar ist. Gute Abstrahlung liefern Dipolantennen, die so bemessen sind, dass sie so lang sind wie eine oder zwei Wellenlängen, bzw. eine halbe oder eine viertel Wellenlänge. 

Massive MIMO

MIMO = Multiple Input Multiple Output (siehe dort). Hier werden viele Antenne nahe beieinander (nahe = etwa eine halbe Wellenlänge Abstand) betrieben (im Bild als Beispiel ein Feld mit 8x8 zusammengeschalteten Einzelantennen im zweistelligen GHz-Bereich). Aufgrund des notwendigen Abstands werden solche Systeme vorwiegend im hohen Frequenzbereich (einige Gigaherz und darüber) betrieben. Die einzelnen Antennen werden phasenverschoben angesteuert. Diese Ansteuerung führt im Summensignal zu einer Bündelung (zweites Bild. Quelle: Bonjour, 2017). Je mehr Antennen (sog. Antennenarrays) verwendet werden, desto stärker kann man die Abstrahlung bündeln. Grosse Arrays erreichen Bündelungen wie ein Parabolrichtstrahler. Es ist aber auch möglich, gleichzeitig mehrere gebündelte Signale gleichzeitig in unterschiedliche Raumrichtungen zu verschicken und damit mehrere Empfänger gezielt anzusteuern (sog. Beamforming). Grundsätzlich ist es auch möglich, „Antennenstrahlen“ bewegten Objekten folgen zu lassen. Für die Mobilfunkgeneration 5G ist vorgesehen, an den Basisstationen Antennenfelder einzusetzen um beamforming zu betreiben.

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