- [Erzähler] Antennen sind
im Bereich der Telekommunikation weit verbreitet
und wir haben
in dieser Videoserie bereits viele Anwendungen dafür gesehen.
Antennen empfangen eine elektromagnetische Welle
und wandeln sie in ein elektrisches Signal um,
oder sie empfangen ein elektrisches Signal
und strahlen es als elektromagnetische Welle aus.
In diesem Video werfen wir einen Blick auf die Wissenschaft
hinter Antennen.
Wir haben ein elektrisches Signal.
Wie wandeln wir es in eine elektromagnetische Welle um?
Möglicherweise haben Sie eine einfache Antwort im Kopf.
Das heißt, Sie verwenden einen geschlossenen Leiter
und können mithilfe des Prinzips
der elektromagnetischen Induktion
ein schwankendes Magnetfeld
und ein elektrisches Feld um ihn herum erzeugen.
Dieses schwankende Feld um die Quelle
ist jedoch für die Signalübertragung nutzlos.
Das elektromagnetische Feld breitet sich hier nicht aus, sondern
schwankt lediglich um die Quelle herum.
In einer Antenne müssen die elektromagnetischen Wellen
von der Quelle getrennt werden
und sich ausbreiten.
Bevor wir uns ansehen, wie eine Antenne hergestellt wird,
wollen wir die Physik hinter der Wellentrennung verstehen.
Betrachten Sie eine positive und eine negative Ladung, die in
einem Abstand voneinander angeordnet sind.
Diese Anordnung wird als Dipol bezeichnet
und erzeugt offensichtlich ein elektrisches Feld, wie gezeigt.
Nehmen wir nun an, dass diese Ladungen wie gezeigt oszillieren.
In der Mitte ihrer Bahn
ist die Geschwindigkeit maximal
und an den Enden ihrer Bahnen ist die Geschwindigkeit Null. Aufgrund dieser Geschwindigkeitsschwankung
erfahren die geladenen Teilchen eine kontinuierliche Beschleunigung
und Verzögerung .
Die Herausforderung besteht nun darin, herauszufinden,
wie sich das elektrische Feld aufgrund dieser Bewegung ändert.
Konzentrieren wir uns auf nur eine elektrische Feldlinie.
Die zum Zeitpunkt Null gebildete Wellenfront
dehnt sich aus und verformt sich wie gezeigt
nach einem Achtel einer Zeitspanne.
Das ist überraschend.
Sie hätten vielleicht ein einfaches elektrisches Feld erwartet, wie es
an dieser Stelle gezeigt wird.
Warum hat sich das elektrische Feld gedehnt
und ein solches Feld gebildet?
Dies liegt daran, dass die beschleunigenden
oder abbremsenden Ladungen ein elektrisches Feld
mit gewissen Memory-Effekten erzeugen.
Das alte elektrische Feld passt sich nicht leicht
an den neuen Zustand an.
Wir müssen einige Zeit aufwenden, um diesen Memory-Effekt
des elektrischen Feldes oder die Knickerzeugung beschleunigender
oder verlangsamender Ladungen zu verstehen. Auf
dieses interessante Thema gehen wir
in einem separaten Video näher ein.
Wenn wir unsere Analyse auf die gleiche Weise fortsetzen,
können wir erkennen, dass sich die Wellenfrontenden in einem Viertel eines Zeitraums
an einem einzigen Punkt treffen.
Danach erfolgt die Trennung
und Ausbreitung der Wellenfront.
Bitte beachten Sie, dass dieses variierende elektrische Feld
automatisch ein variierendes Magnetfeld
senkrecht dazu erzeugt.
Wenn Sie die Variation der elektrischen Feldstärke
mit der Entfernung zeichnen, können Sie erkennen, dass die Wellenausbreitung
sinusförmiger Natur ist.
Es ist interessant festzustellen,
dass die Wellenlänge der so erzeugten Ausbreitung
genau das Doppelte der Länge des Dipols beträgt.
Wir werden später auf diesen Punkt zurückkommen.
Das ist genau das, was wir in einer Antenne brauchen.
Kurz gesagt, wir können eine Antenne bauen,
wenn wir eine Anordnung zum Oszillieren der positiven
und negativen Ladungen schaffen können.
In der Praxis ist die Herstellung einer solchen Schwingladung
sehr einfach.
Nehmen Sie einen leitenden Stab mit einer Krümmung in der Mitte
und legen Sie in der Mitte ein Spannungssignal an.
Angenommen, es handelt sich um das von Ihnen angelegte Signal,
ein zeitlich veränderliches Spannungssignal.
Betrachten Sie den Fall zum Zeitpunkt Null.
Durch die Wirkung der Spannung
werden die Elektronen von der rechten Seite des Dipols verdrängt
und sammeln sich auf der linken Seite an.
Das bedeutet, dass das andere Ende, das Elektronen verloren hat,
automatisch positiv geladen wird.
Diese Anordnung hat den gleichen Effekt
wie der vorherige Dipolladungsfall erzeugt,
nämlich positive und negative Ladungen am Ende eines Drahtes.
Mit der zeitlichen Änderung der Spannung pendeln
die positiven und negativen Ladungen hin und her.
Auch die einfache Dipolantenne erzeugt das gleiche Phänomen, das
wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, und es kommt zu einer Wellenausbreitung.
Wir haben nun gesehen, wie die Antenne als Sender funktioniert.
Die Frequenz des übertragenen Signals
entspricht der Frequenz
des angelegten Spannungssignals.
Da die Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt,
können wir die Wellenlänge der Ausbreitung leicht berechnen.
Für eine perfekte Übertragung
sollte die Länge der Antenne die Hälfte der Wellenlänge betragen.
Der Betrieb der Antenne ist umkehrbar
und sie kann als Empfänger fungieren,
wenn ein sich ausbreitendes elektromagnetisches Feld auf sie trifft.
Schauen wir uns dieses Phänomen im Detail an.
Nehmen Sie dieselbe Antenne noch einmal und legen Sie ein elektrisches Feld an.
In diesem Moment sammeln sich die Elektronen
an einem Ende des Stabes an.
Dies ist dasselbe wie ein elektrischer Dipol.
Wenn das angelegte elektrische Feld variiert, sammeln sich
die positiven und negativen Ladungen
an den anderen Enden an. Durch
die unterschiedliche Ladungsansammlung
wird in der Mitte der Antenne ein unterschiedliches elektrisches Spannungssignal erzeugt.
Dieses Spannungssignal wird ausgegeben,
wenn die Antenne als Empfänger fungiert.
Die Frequenz des Ausgangsspannungssignals
ist dieselbe wie die Frequenz der empfangenden EM-Welle.
Aus der Konfiguration des elektrischen Feldes geht klar hervor,
dass für einen perfekten Empfang
die Größe der Antenne die Hälfte der Wellenlänge betragen sollte.
In all diesen Diskussionen
haben wir gesehen, dass es sich bei der Antenne um einen offenen Stromkreis handelt.
Schauen wir uns nun einige praktische Antennen und ihre Funktionsweise an.
Früher wurden für den Fernsehempfang Dipolantennen eingesetzt.
Der farbige Balken fungiert als Dipol und empfängt das Signal.
Bei dieser Art von Antenne werden außerdem ein Reflektor und ein Direktor benötigt,
um das Signal auf den Dipol zu fokussieren.
Diese vollständige Struktur wird als Yagi-Uda-Antenne bezeichnet.
Die Dipolantenne wandelte das empfangene Signal
in elektrische Signale um und diese elektrischen Signale
wurden über ein Koaxialkabel zum Fernsehgerät übertragen.
Heutzutage sind wir auf Parabolantennen umgestiegen.
Diese bestehen aus zwei Hauptkomponenten,
einem parabolförmigen Reflektor
und dem rauscharmen Block-Abwärtskonverter.
Die Parabolschüssel empfängt elektromagnetische Signale
vom Satelliten und fokussiert sie auf den LNBF.
Die Form der Parabel ist sehr spezifisch
und genau gestaltet.
Der LNBF besteht aus einem Feedhorn,
einem Wellenleiter, einer Leiterplatte und einer Sonde.
In dieser Animation können Sie sehen, wie die eingehenden Signale
über das Feedhorn und den Wellenleiter auf die Sonde fokussiert werden .
An der Sonde wird Spannung induziert,
wie wir im einfachen Dipolfall gesehen haben.
Das so erzeugte Spannungssignal wird einer Leiterplatte
zur Signalverarbeitung wie Filterung,
Umwandlung von hoher in niedrige Frequenz und Verstärkung zugeführt.
Nach der Signalverarbeitung werden diese elektrischen Signale
über ein Koaxialkabel zum Fernsehgerät übertragen.
Wenn Sie einen LNB öffnen,
finden Sie höchstwahrscheinlich zwei Sonden statt einer.
Die zweite Sonde steht senkrecht zur ersten. Durch
die Anordnung mit zwei Sonden kann das verfügbare Spektrum
doppelt genutzt werden,
indem die Wellen entweder mit horizontaler
oder vertikaler Polarisation gesendet werden.
Eine Sonde erkennt das horizontal polarisierte Signal
und die andere das vertikal polarisierte Signal.
Das Mobiltelefon in Ihrer Hand
verwendet einen völlig anderen Antennentyp,
eine sogenannte Patch-Antenne.
Eine Patch-Antenne besteht aus einem metallischen Patch oder Streifen, der
auf einer Grundplatte platziert wird und zwischen dem sich
ein Stück dielektrisches Material befindet.
Dabei fungiert der Metallfleck als strahlendes Element.
Die Länge des Metallpflasters
sollte
für eine ordnungsgemäße Übertragung und einen ordnungsgemäßen Empfang die Hälfte der Wellenlänge betragen.
Bitte beachten Sie, dass die hier erläuterte Beschreibung der Patch-Antenne
sehr einfach ist.
Bitte zeigen Sie Ihre Unterstützung, indem Sie auf die Schaltfläche „Unterstützung“ klicken.
Vielen Dank, dass Sie sich das Video angesehen haben.