mini|Dreidimensional dargestellte Strahlungscharakteristik einer Schlitzantenne (Ergebnis einer Computersimulation)
Ein Antennendiagramm ist die grafische Darstellung der Strahlungscharakteristik einer Antenne (Intensität, Feldstärke, Polarisation, Phase, Laufzeitunterschiede) in einem räumlichen Koordinatensystem. Antennendiagramme werden messtechnisch aufgenommen oder durch Simulationsprogramme am Computer generiert, um die Richtwirkung einer Antenne grafisch darzustellen und so deren Leistungsfähigkeit einzuschätzen. Sie können als Oberfläche in dreidimensionalen Kugelkoordinaten oder für einen flächenhaften Schnitt als Liniendiagramm in kartesischen oder Polarkoordinaten dargestellt werden. Ein Antennendiagramm, welches die Richtcharakteristik einer Antenne darstellt, wird auch Richtdiagramm genannt. Es stellt die relative Intensität der Energieabstrahlung oder die elektrische oder magnetische Feldstärke im Fernfeld in Abhängigkeit von der Richtung zur Antenne dar.
mini|Reales horizontales Antennendiagramm einer Parabolantenne in Polarkoordinaten, Ergebnis einer Messreihe mini|Antennendiagramm einer Parabolantenne mit einem Cosecans²-Diagramm in einem kartesischen Koordinatensystem
Während eine Rundstrahlantenne gleichmäßig in alle Richtungen einer Ebene strahlt, bevorzugt eine Richtantenne eine Richtung und erzielt daher in dieser bei geringerer Sendeleistung eine größere Reichweite. Das Antennendiagramm stellt die messtechnisch oder rechnerisch ermittelte Bevorzugung grafisch dar. Aufgrund der Reziprozität – die gleiche Sende- und Empfangseigenschaften der Antenne gewährleistet – zeigt das Diagramm sowohl die richtungsabhängige Sendeleistung als auch die Empfangsempfindlichkeit einer Antenne an. Die meistens durch ein Messprogramm gezeichnete Kurve zeigt also bei einer Sendeantenne maßstabsgerecht die Orte mit gleicher Leistungsdichte rings um die Sendeantenne herum an. Bei Empfangsantennen bedeutet die gleiche Kurve die gemessene Empfindlichkeit für ein konstantes Hochfrequenzfeld. Ein kleiner Messsender wird also in konstanter Entfernung um die Empfangsantenne herum bewegt und die Leistung, die von der Antenne empfangen wird, wird als Wert in das Diagramm eingetragen.
Horizontales Antennendiagramm Horizontale Antennendiagramme stellen die Richtcharakteristik lediglich für die horizontalen Richtungen dar, meist in Polarkoordinaten, also mit der Antenne im Mittelpunkt. Es ist ein horizontaler Schnitt durch das dreidimensionale Diagramm. Teile des Antennendiagramms, die durch relative Minima begrenzt werden, bezeichnet man gemäß ihrem Aussehen in Polarkoordinaten als Keulen:
Die Hauptkeule ist das globale Maximum und enthält die Hauptstrahlungsrichtung; Nebenkeulen sind ausgeprägte lokale Maxima, sie enthalten die meist ungewollte Strahlung in eine andere Richtung als die Hauptrichtung; eine Rückkeule ist eine Nebenkeule direkt oder in einem weiten Bereich entgegengesetzt zur Hauptkeule; Gitterkeulen sind periodisch auftretende starke Nebenkeulen.
Antennendiagramme werden oft logarithmisch in Dezibel aufgetragen, da die Nebenkeulen um mehrere Größenordnungen kleiner sein können als die Hauptkeule und bei linearer Auftragung nicht zu erkennen wären.
Da die Richtwirkung von Antennen frequenzabhängig ist, kann als eine Sonderform des Antennendiagramms ein umhüllendes Antennendiagramm erstellt werden. Solche Sonderformen von Antennendiagrammen werden bei der Beurteilung von Strahlungsbelastungen durch Feldstärken benötigt. Hier werden die gemessenen Diagramme der höchsten und der niedrigsten Frequenz aufeinandergelegt und aus den höchsten Einzelwerten für jeden Seitenwinkel ein neues Diagramm gebildet. Bei einem durch Montagetoleranzen aufgeweiteten Antennendiagramm wird das gemessene oder das bereits als umhüllendes Antennendiagramm erstellte Diagramm drei Mal übereinandergelegt: einmal in der ursprünglichen Orientierung und je einmal um die Montagetoleranz im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Aus höchsten Einzelwerten für jeden Seitenwinkel wird wiederum ein neues Diagramm gebildet. (PDF, 985 kB) – Vollzugsempfehlung zur NISV (Entwurf vom 6. Juli 2005)
Aus einem Antennendiagramm sind viele Parameter ablesbar, welche die Qualität und Richtwirkung der dargestellten Antenne bestimmen:
das Vor-Rück-Verhältnis (VRV), auch Rückdämpfung genannt, das Vor-Seiten-Verhältnis (VSV) und die Nebenkeulendämpfung.
Vertikales Antennendiagramm Ein vertikales Antennendiagramm ist eine Seitenansicht des elektromagnetischen Feldes der Antenne. Die Bemaßung des Antennendiagramms ist also die Entfernung zur Antenne in der x-Achse und Höhe über dem Standort der Antenne in der y-Achse. Man bekommt dadurch beispielsweise einen Eindruck, ob die Antenne als Flach- oder Steilstrahler einzusetzen ist.
Beispiel mini|Reales vertikales Polar-Antennendiagramm einer Parabolantenne mit einem Cosecans²-Diagramm, Ergebnis einer Messung des Solarrauschens
In dem Diagramm ist an der vertikalen Achse (y-Achse) die Höhe in Fuß (engl. , ft) angetragen, in der horizontalen Achse (x-Achse) die Entfernung in Nautischen Meilen (Nm), beides Maßeinheiten, die bei einem Flugsicherungsradar verwendet werden. Die Maßeinheiten spielen im Diagramm eine Rolle für das Maßstabsverhältnis der Achsen. Bei den Messwerten handelt es sich jedoch um relative Pegel, die mit den Entfernungswerten der Achsen nichts zu tun haben.
Die strahlenförmigen Geraden aus dem Ursprung sind die Höhenwinkelmarken, gezeichnet in „Ein-Grad-Schritten“. Durch die Überhöhung, das heißt, die vertikale Achse hat einen anderen Maßstab als die horizontale Achse, sind die Abstände zwischen den Höhenwinkelmarken ungleich.
Die an der vertikalen Achse angetragenen Höhen werden in das Diagramm nicht nur als Raster, sondern auch als gepunktete Linien hineinprojiziert, wobei diese die reale Höhe über Grund andeuten und somit keine Geraden, sondern gemäß der Erdkrümmung leicht nach unten abfallende Linien sind.
Das Diagramm ist ein reales Cosecans²-Diagramm eines Airport Surveillance Radars. Die „ausgefranste“, vom Ursprung weit entfernte Flanke des Diagramms zeigt den Einfluss der Erdoberfläche auf das Diagramm (siehe Fresnelzone), da diese Antenne leider etwas zu tief aufgebaut wurde.
Räumliche Richtcharakteristik mini|Zeichnerische Darstellung der räumlichen Richtcharakteristik eines Dipols
Werden 2D-Antennendiagramme vieler Schnittebenen zu einem räumlichen Gebilde zusammengestellt, entsteht eine dreidimensionale Richtcharakteristik. Der Abstand vom Mittelpunkt der Antenne zu jedem Punkt der Oberfläche dieses Körpers gibt die in dieser Richtung bei gleichen Abständen gemessene Intensität an. Die Aufnahme solcher räumlicher Charakteristiken würde jedoch einen großen messtechnischen Aufwand darstellen. Deswegen werden in der Praxis solche Antennendiagramme nur in Ausnahmefällen und dann auch nur in Ausschnitten erstellt. Mit Hilfe von Computern kann jedoch jede Antenne mit ihren räumlichen Charakteristiken in einem Modell simuliert werden.
Elemente eines Antennendiagramms
Hauptkeule mini|Antennendiagramm einer Parabolantenne (Ausschnitt)
Die Hauptkeule in einem Antennendiagramm weist bei Sendeantennen den Maximalbetrag der in eine Richtung gesendeten Energie oder bei Empfangsantennen die maximale Empfindlichkeit auf. Eine Richtantenne bündelt diese Strahlung in eine Richtung und erhöht hierdurch die Reichweite der Antenne. Diese Reichweitenerhöhung heißt Gewinn und wird als Verhältnis der gemessenen Antenne zu den Werten eines Rundstrahlers angegeben. In einem Antennendiagramm wird dieser Antennengewinn nicht verwendet. Alle gemessenen und im Antennendiagramm grafisch dargestellten Werte sind auf den Maximalwert der Hauptkeule bezogen. Dieser wird mit 0 dB in das Diagramm eingetragen und alle anderen gemessenen Werte müssen daher negative Pegel (Dämpfungen) sein. Es sind deshalb nur relative Werte. Der Antennengewinn ist dagegen ein absoluter Wert, da er auf ein geeichtes Maß bezogen wird.
In den sehr einfachen Antennendiagrammen einer Dipolantenne (Antennendiagramm siehe dort) existieren nur zwei ausgeprägte Maxima, die entgegengesetzt gerichtet sind. In diesem Fall wird noch nicht von einer Hauptkeule gesprochen, da beide Maxima etwa gleich groß sind.
Nebenkeulen Als Nebenkeule wird der Teil der elektromagnetischen Strahlung einer Antenne bezeichnet, der nicht in die gewollte Richtung abgestrahlt wird. Nebenkeulen sind meist unerwünscht, weil sie einen Teil der Sendeleistung der Hauptkeule vorenthalten, diese dadurch schwächen und den eindeutigen Richteffekt einer Antenne beeinträchtigen. Bei einer Empfangsantenne können Störungen, die über Nebenkeulen empfangen werden, die Empfangsqualität verschlechtern; sie werden von der Antenne nicht ausgeblendet. Bei Sendeantennen wird die Sendeleistung über die Nebenkeulen ungenutzt in eine ungewollte Richtung abgestrahlt.
Durch geschickte Konstruktion einer Antenne lässt sich die Intensität der Nebenkeulen verringern. Wenn die Empfängerdynamik allerdings größer ist als die von der Antenne konstruktiv vorgegebene Nebenkeulendämpfung, werden auch über die Nebenkeulen Signale empfangen. Um die Auswirkungen dieses ungewollten Empfanges zu verringern, werden bei der Radarortungstechnik zusätzliche Maßnahmen der Nebenkeulenunterdrückung getroffen.
Gitterkeulen mini|Typisches Antennendiagramm einer Antenne mit starken Gitterkeulen
Gitterkeulen (engl.: ) sind Nebenkeulen, die annähernd die Größe der Hauptkeule erreichen und im Diagramm rasterartig verteilt sind. Sie entstehen manchmal bei Phased Array Antennen (und auch bei in der Sonografie genutzten Ultraschallsonden) und sind eine Folge eines zu großen und gleichmäßigen Abstandes der einzelnen Strahlerelemente untereinander im Verhältnis zur Wellenlänge. Bei einem guten Design eines Phased-Arrays mit optimal möglichem Abstand der Strahlerelemente sollten sie nicht auftreten, jedoch ist diese Forderung bei sehr großen Bandbreiten (UWB) schwer einzuhalten.
Rückkeule Als Rückkeule wird in einem Antennendiagramm die Nebenkeule in der Richtung bezeichnet, die in die entgegengesetzte Richtung von der Hauptkeule zeigt. Sie ist meistens sehr viel kleiner als die Hauptkeule. Wenn die exakte entgegengesetzte Richtung im Antennendiagramm ein Strahlungsminimum aufweist, werden oft als Rückkeulen auch die Nebenkeulen bezeichnet, die sich innerhalb eines Winkels von ±15° von dieser exakten Richtung befinden.
Nullstellen Die Punkte im Antennendiagramm, an denen die Strahlungsenergie praktisch null ist, werden als Nullstellen bezeichnet. Deren Lage im Koordinatensystem kann als Nullwertswinkel bezeichnet werden, der zwischen dem Maximum der Hauptkeule und der ersten Nullstelle gemessen wird. Eine Nullwertsbreite wird zwischen den ersten Nullstellen links und rechts von der Hauptkeule gemessen.
Aus dem Antennendiagramm ablesbare Parameter
Halbwertsbreite Die Grenzwinkel einer Keule werden nach allgemeiner Konvention durch den Abfall der empfangenen Leistung bzw. der abgestrahlten Intensität auf die Hälfte des Maximalwertes definiert (Faktor 0,5 ≈ −3 dB). Die Strahlbreite (Halbwertsbreite, Öffnungswinkel) ist die Spanne zwischen diesen Winkeln und wird meistens mit dem griechischen Buchstaben Θ (Theta) bezeichnet. Die Hauptkeule der in nebenstehenden Diagrammen charakterisierten Parabolantenne hat eine Strahlbreite von 1,67°, ein sehr guter Wert für eine Radarantenne.
Nebenkeulendämpfung Die Nebenkeulendämpfung ist einer der wesentlichen Parameter einer Antenne und stellt das Verhältnis des Gewinns der Hauptkeule in 0° zum Pegel der größten Nebenkeule (hier im Diagramm etwa bei 20°) dar. Dieses Verhältnis wird als relativer Pegel angegeben und sollte möglichst groß sein.
Vor-Rück-Verhältnis