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Wels, am 2016-02-10
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Antennen-Arten
Berechnet mit Antennen-Simulations-Programm 4nec2 (4NEC2)
Berechnung:
Lambda = Lichtgeschwindigkeit (Vakuum 299.792.458m/sec) / Frequenz = 300Mm / 2500MHz = 0,12m
Lambda = 299,792Mm / 2448MHz = 0,12246m
122,46mm x 1,237 = 151,6mm (siehe UNTEN)
In www.schaltungen.at mit Fotos und Diagramme
300_d_antenne-x_Entwurf und Simulation einer 2,448 GHz WLAN Gruppenantenne (Quad-Antenne)_1a.pdf
Björn Swendrak, Entwurf und Simulation einer WLAN-Gruppenantenne 17.01.2005
4.3 Das Quad-Element
Das erste Quad-Element wurde 1942 in Quito, Equador in Betrieb genommen.
Wird ein Faltdipol auseinander gezogen, entsteht ein auf der Spitze stehendes Quadrat dessen Seitenlänge jeweils λ/4 beträgt.
Die Strommaxima sind nun nicht 0,05* λ sondern 0,35* λ voneinander entfernt, wodurch sich der
Eingangswiederstand auf ca. 120 Ohm reduziert.
Abbildung 4.2 Faltdipol [RTH]
Abbildung 4.4 Entwicklung
Quadelement Björn Swendrak Entwurf und Simulation einer WLAN-Gruppenantenne 17.01.05
Der Umfang beträgt bei einem Quad-Element theoretisch 1 x lambda .
Der von den Antennen sonst bekannte Verkürzungsfaktor ist hier jedoch ein Verlängerungsfaktor und liegt bei 1,02..1,03 lambda.
Dieser Effekt erklärt sich dadurch, dass es bei einem Quadelement keine offenen Enden gibt und somit der kapazitive Randeffekt entfällt.
Durch die Knicke in der Antenne und die dadurch hervorgerufenen Diskontinuitäten entsteht außerdem ein Verlängerungseffekt.
Ein Quad-Element mit einem Umfang von 151,6 mm erreicht ein S11 von -7,95 dB und eine Eingangsimpedanz von 106 Ohm.
Der Verlängerungsfakter beträgt somit 1,24 und ist ungewöhnlich groß.
Der maximale
Gewinn beträgt 4,58 dBi.
Abbildung 4.5 S11 Quad-Element
4.4 Auswahl des Grundelements
Die Wahl aus den hier simulierten Grundelementen ist einfach:
Das Quad-Element ist nahezu ideal geeignet, da es den höchsten Gewinn aufweist, mechanisch relativ einfach herzustellen ist und die Stockung von zwei Elementen sehr gut zu realisieren ist.
Mit einer
Doppelquad kann bereits ein S11 von -9,54 dB erreicht werden (Abb. 4.6).
Abbildung 4.6 S11 Doppel-Quad-Element
5 Simulation der Hybrid-Doppelquad
Lambda = 300Mm / 2448MHz = 0,122549m
122,5449mm x 0,99 = 121,60
Um eine Richtwirkung zu erreichen wird das Doppelquad-Element vor einem Reflektor platziert.
Aus dem Amateurfunkbereich ist bereits die Hybrid-Doppelquad nach DL7KM bekannt (Abb. 5.1).
Das Doppel-Quad wird hier vor drei abgestimmten Reflektorstäben betrieben und ist für das 2 Meter Amateurfunkband dimensioniert.
Wenn man die Abmessungen auf
2,448 GHz umrechnet kommt man zu folgenden Ergebnissen:
Der Abstand zwischen Reflektor und Strahler beträgt 17 mm,
die 3 Reflektoren sind 30 mm voneinander entfernt.
Die Länge eines Reflektors beträgt 60 mm,
die Kantenlänge der Elemente 30,4 mm.
Die Elemente sind im Speisepunkt 2 Millimeter auseinander.
Abbildung 5.1 Hybrid-Doppelquad, DL7KM
Abbildung 5.2 Hybrid-Doppelquad im
4nec2 Editor
Mit diesen Abmessungen ist die Antenne sehr gut angepasst.
Das
S11 sinkt auf -34,2 dB, der Eingangswiderstand ist mit
(52,1 + j0,72) Ohm fast vollständig real, wodurch auf gute Resonanz geschlossen werden kann.
Abbildung 5.3 Richtdiagramm vertikal
Abbildung 5.4 Richtdiagramm horizontal
Abbildung 5.5 S11 der Hybrid-Doppelquad
Das Doppelquad-Element kann auch vor einem Reflektor betrieben werden.
Da nec2 keine Flächen simulieren kann, wird der Reflektor durch ein engmaschiges Drahtgitter angenähert, was auch in der Praxis Anwendung findet.
Der Abstand zwischen den Maschen sollte kleiner als 0,05 x lambda sein und die Kanten der Antenne sollten um lambda/2 überragt werden.
Da ein solcher Reflektor im nec2 in ca. 11 000 Elemente eingeteilt wird, kann diese Antenne leider nicht simuliert werden, da nec2 auf 5000 Elemente begrenzt ist.
Daher wird eine Version mit einem etwas grobmaschigerem Reflektor simuliert.
Der Eingangswiderstand beträgt
(49,7+j0,12) Ohm. Der maximale
Gewinn liegt bei 10,7 dBi.
Der Strahler bleibt von 2400 MHz bis 2500 MHz unter -20 dB für S11.
Abbildung 5.6 Richtdiagramm vertikal
Abbildung 5.7 Richtdiagramm horizontal
6 Die gestockte Hybrid-Doppelquad
7 Zusammenfassung
Die Hybrid-Doppelquad eignet sich sehr gut zum Einsatz im 2,4 GHz-Bereich.
Sie kann sowohl mit Reflektorelementen als auch vor einer Reflektorwand betrieben werden.
Der
Gewinn mit 9..12 dBi, je nach Ausführung, ist im Verhältnis zum Aufwand in der Konstruktion recht groß.
Die Richtwirkung der Antenne wird sich besonders in Umgebungen mit vielen Sende-Stationen bezahlt machen, weil dadurch die Mehrwegeausbreitung gedämpft und somit das Signal-Rauschverhältnis verbessert wird. Ob die maximal 3 dB Gewinn der gestockten Variante den zusätzlichen Aufwand der Konstruktioin einer Anpasschaltung rechtfertigen, muss jeder für sich entscheiden.
Einfacher und schneller im Aufbau ist die Hybrid-Doppelquad.
Das
Programm 4nec2 ist ein schönes Simulationstool, um Antennen zu konstruieren und zu planen.
Will man ebene Flächen simulieren, gerät es schnell über die 3000-Elemente-Grenze der Standard-Version.
Es sind auch Versionen für bis zu 5000 Elemente vorhanden, allerdings kann die Rechenzeit auch auf aktuellen PCs schnell Stunden betragen.
Für die Simulation der Hybrid-Doppelquad vor der Reflektorwand waren teilweise Durchläufe von ca. 55 Minuten nötig.
(Verwendet wurde ein Pentium IV mit 2,4 GHz Takt und 512 MB RAM).
Ansonsten ist der Funktionsumfang für den Praktiker mehr als ausreichend.
Grafisch besonders anprechend ist natürlich die 3D-Darstellung der Richtdiagramme.
Aber auch an den ambitionierten Anwender wurde gedacht.
Zum Funktionsumfang gehört ebenso die Darstellung von Smith-Diagrammen.
