Antennen und Strahlungsfelder: elektromagnetische Wellen auf Leitungen, im Freiraum und ihre Abstrahlung
Gespeichert in:
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2018]
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| Ausgabe: | 7., überarbeitete und erweiterte Auflage |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch
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| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XXII, 634 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 16.8 cm, 1329 g |
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1 1 Frequenzbereiche 1
1 2 Elektromagnetische Grundgrößen 2
1 3 Antennen und Strahlungsfelder im Überblick 4
2 Mathematische Grundlagen 8
2 1 Vektoralgebra 8
211 Skalarprodukt 9
212 Vektorprodukt 10
213 Spatprodukt 11
2 2 Vektoranalysis 13
221 Differenziation von skalaren Feldern 13
222 Differenziation von Vektorfeldern 16
223 Rechnen mit dem Nabla-Operator 20
224 Integralsätze der Vektoranalysis 23
225 Helmholtzsches Theorem 27
2 3 Koordinatensysteme 28
2 4 Übungen 30
3 Grundlagen der Elektrodynamik 31
3 1 Energieerhaltungssatz 31
311 Darstellung im Zeitbereich 31
312 Darstellung im Frequenzbereich 33
313 Komplexer Poyntingscher Satz 36
3 2 Maxwellsche Gleichungen 39
321 Grundgleichungen 39
322 Einteilung der elektromagnetischen Felder 41
323 Prinzip von der Ladungserhaltung 41
324 Quellen der Vektorfelder 43
3 3 Wellengleichung 45
3 4 Helmholtz-Gleichung 46
3 5 Wellenausbreitung in anisotropen Medien 48
3 6 Rand- und Stetigkeitsbedingungen 49
3 7 Übungen 51
4 Ebene Wellen 52
4 1 Ebene Wellen im Dielektrikum 52
411 Lösung der Flelmholtz-Gleichung 52
412 Geschwindigkeitsdefinitionen 56
4 2 Ebene Wellen im Leiter 51
421 Skineffekt 51
422 EMV-Abschirmbleche 53
ym __________________________Inhaltsverzeichnis
423 Verlustlose Bandleitung 64
424 Bandleitung mit Verlusten 65
425 Wandimpedanz-Modell 68
426 Kreiszylindrischer Draht 72
4 3 Ebene Wellen im Supraleiter 82
431 Londonsche Gleichungen 83
432 Telegrafen- und Helmholtz-Gleichung 84
4 4 Leistungstransport 88
4 5 Übungen 90
5 Ausbreitungseffekte 91
5 1 Polarisation 91
5 2 Senkrechter Einfall auf eine ebene Trennfläche 95
521 Reflexions- und Durchlassfaktoren 96
522 Stehende Wellen 99
523 Leistungstransport 102
524 Strahlungsdruck 103
5 3 Schiefer Einfall auf eine ebene Trennfläche 104
531 Brechungsgesetz 104
532 Fresnelsche Formeln 108
533 Totaltransmission 112
534 Totalreflexion 118
5 4 Ebenes Drei- und Mehrschichtenproblem 121
541 Ebenes Dreischichtenproblem 121
542 Schirmwirkung metallischer Wände 122
543 Verlustloser Viertelwellen-Transformator 123
544 Verlustloser Halbwellen-Transformator 123
545 Durchgangsdämpfung von Fensterglas 124
5 5 Beugung an einer metallischen Schirmkante 127
5 6 Übungen 129
6 TEM-Wellen auf Leitungen 130
6 1 Leitungsbeläge von TEM-Leitungen 130
611 Innere Induktivität und Wandstromverluste 131
612 Äußere Induktivität, Kapazität und Verluste im Dielektrikum 134
6 2 Spannungs- und Stromwellen auf TEM-Leitungen 137
621 Leitungsgleichungen 137
622 Reflexionsfaktor, Welligkeit und Leitungsimpedanz 139
623 Transformationsverhalten von Leitungen 144
6 3 Doppelleitung 150
631 Modellbildung 150
632 Statischer Ableitungsbelag 151
633 Dynamischer Ableitungsbelag 152
634 Dämpfungskonstante 154
635 Phasenkonstante 157
636 Leitungswellenimpedanz 160
6 4 Koaxialleitung 161
Inhaltsverzeichnis
IX
6 5 Einschwingverhalten von TEM-Leitungen 164
6 6 Übungen 169
7 Wellenleiter 170
7 1 Schwingungsformen in Hohlleitern 171
7 2 Rechteckhohlleiter 176
721 Eigenwellen 176
722 Grenzfrequenzen und Cutoff 180
723 Wellengeschwindigkeiten 186
724 Feldkomponenten und Leistungstransport 187
725 Materialmessungen in Hohlleitern 192
726 Hohlleiterschaltungen und Orthogonalentwicklung 194
7 3 Rundhohlleiter 198
731 Eigenwellen 199
732 Feldbilder 204
7 4 Höhere Wellentypen der Koaxialleitung 205
7 5 Besondere Hohlleitertypen 208
7 6 Hohlraumresonatoren 211
7 7 Anregung von Hohlleiterwellen 212
771 Modellbildung 212
772 Lösung der Helmholtz-Gleichung 213
773 Koaxiale Stifteinkopplung 215
7 8 Übungen 218
8 Dispersion in Hohlleitern 219
8 1 Impulse mit einer kosinusformigen Einhüllenden 219
8 2 Impulse mit einer gaußförmigen Einhüllenden 221
821 Gaußimpuls im Zeit- und Frequenzbereich 221
822 Signal am Ausgang des Hohlleiters 223
823 Optimale Impulsdauer 227
824 Augendiagramm 228
825 Maximal zulässige Bitrate 230
8 3 Impulse mit einer rechteckigen Einhüllenden 235
831 Rechteckiger Einzelimpuls 235
832 Folge aus Rechteckimpulsen 238
833 Zusammenhang zwischen Impulsverzerrungen und Bandbreite 239
834 Impulsfolge mit Bandbegrenzung 241
8 4 Übungen 244
9 Grundbegriffe der Antennentechnik 245
9 1 Isotroper Strahler 245
9 2 Hertzscher Dipol als elektrischer Elementarstrahler 245
9 3 Kenngrößen von Antennen 247
931 Richtdiagramm 247
932 Richtfaktor und Gewinn 252
933 Äquivalenter Raumwinkel 254
934 Antennenwirkfläche 256
Inhaltsverzeichnis
X 1 —-------—~~■
935 Polarisation 260
9 4 Leistungsbilanz einer ungestörten Funkstrecke 262
9 5 Übungen 265
10 Relativistische Elektrodynamik 266
10 1 Relativitätsprinzip 266
10 1 1 Lorentz-Transformation 267
10 1 2 Feld einer gleichförmig bewegten Ladung 272
10 2 Strahlung beschleunigter Ladungen 274
10 2 1 Grundgleichungen 274
10 2 2 Strahlungsleistung 277
10 3 Linear beschleunigte Punktladung 278
10 3 1 Strahlungsleistung 278
10 3 2 Richtcharakteristik 280
10 4 Kreisförmig beschleunigte Punktladung 281
10 4 1 Strahlungsleistung 281
10 4 2 Richtcharakteristik 282
10 4 3 Teilchenbeschleuniger LEP und LHC 283
10 4 4 Spektrum der Synchrotronstrahlung 285
10 4 5 Plasmakühlung durch Synchrotronstrahlung 288
10 5 Radarreflexion an bewegten Objekten 289
10 5 1 Gleichförmig bewegter ebener Metallspiegel 289
10 5 2 Doppler-Effekt und Aberration 291
10 6 Übungen 294
11 Grundbegriffe von Strahlungsfeldern 295
11 1 Grundgleichungen 295
11 2 Potenziallösung der Feldgleichungen 297
11 2 1 Magnetisches Vektorpotenzial 298
11 2 2 Elektrisches Vektorpotenzial 304
11 2 3 Darstellung der Feldstärken 305
11 3 Femfeldnäherungen 308
11 3 1 Fresnel-Näherung 310
11 3 2 Fraunhofer-Näherung 311
11 3 3 Femfeldabstand und Antennengewinn 314
11 3 4 Femfelder und Fourier-Transformation 316
11 4 Ausstrahlungsbedingung 319
11 5 Kantenbedingung 320
11 6 Huygenssches Prinzip 322
11 6 1 Vektorielle Formulierung 322
11 6 2 Skalare Formulierung 325
11 7 Kopolarisation und Kreuzpolarisation 331
11 8 Übungen 334
Inhaltsverzeichnis
XI
12 Elementardipole und Rahmenantennen 335
12 1 Elektrischer Elementarstrahler 335
12 1 1 Strahlungsfelder 336
12 1 2 Wellengeschwindigkeiten und Nahfeldablösung 343
12 2 Magnetischer Elementarstrahler 336
12 3 Kreisförmige Rahmenantenne beliebigen Umfangs 349
12 3 1 Vektorpotenzial eines kreisförmigen Ringstroms 350
12 3 2 Kreisförmige Rahmenantenne mit Umfang U= nX0 353
12 3 3 Erweiterung auf beliebigen Umfang 355
12 4 Übungen 361
13 Lineare Antennen 362
13 1 Zylinderantenne 363
13 2 Dünne Linearantenne 364
13 2 1 Strahlungsfelder 364
13 2 2 Wanderwellenantenne (Langdrahtantenne) 373
13 2 3 Strahlungswiderstand 376
13 2 4 Verkürzungsfaktor 383
13 2 5 Richtfaktor und Gewinn 386
13 3 Übungen 389
14 Gruppenantennen 390
14 1 Gruppenfaktor bei räumlicher Anordnung 392
14 2 Lineare Gruppen 393
14 2 1 Gruppencharakteristik 393
14 2 2 Querstrahler 398
14 2 3 Längsstrahler 400
14 2 4 Richtfaktor linearer Gruppen 404
14 2 5 Kreuzdipol 407
14 2 6 Yagi-Uda-Antenne 408
14 2 7 Phasengesteuerte Gruppenantennen 410
14 2 8 Inhomogene Amplitudenbelegung 412
14 2 9 Verdünnte Gruppen 416
14 3 Ebene Gruppen 419
14 4 Antennen über Erde 420
14 5 Strahlungskopplung in ebenen Dipolgruppen 427
14 6 Übungen 429
15 Breitbandantennen 430
15 1 Doppelkonusantenne 430
15 1 1 Unendlich lange symmetrische Doppelkonusleitung 431
15 1 2 Symmetrische Doppelkonusantenne endlicher Länge 432
15 1 3 Näherungslösung bei kleinem Reflexionsfaktor 439
15 1 4 Doppelkonusantenne mit optimiertem Gewinn 444
15 2 Logarithmisch-periodische Antenne 445
15 3 Spiral- und Fraktalantennen 449
15 4 Übungen 451
XII Inhaltsverzeichnis
16 Aperturstrahler I (Hohlleiterantennen) 452
16 1 Prinzipien der Aperturstrahler 452
16 2 Ebene Apertur im freien Raum (Chu-Modell) 454
16 3 Ebene Apertur im unendlichen ebenen Schirm (E-Feld-Model!) 461
16 3 1 Hohlleiterstrahler 462
16 3 2 Richtfaktor und Flächenwirkungsgrad 467
16 4 Übungen 469
17 Aperturstrahler II (Hornantennen) 470
17 1 Bauformen 470
17 2 Sektorhom 470
17 3 Gültigkeitsgrenzen der quadratischen Näherung 474
17 4 Pyramidenhom 475
17 4 1 Direktivität und Flächenwirkungsgrad 475
17 4 2 Aperturabmessungen 479
17 4 3 Breite der Hauptkeule 479
17 4 4 Berechnungsbeispiele 481
17 5 Kegelhom und Rillenhom 483
17 5 1 Phasenfehler in der ebenen Homapertur 483
17 5 2 Aperturbelegung im Kegelhom 484
17 5 3 Wandimpedanz-Modell des Rillenhoms 484
17 5 4 Aperturbelegung im Rillenhom 486
17 5 5 Integration der Aperturfelder des Rillenhoms 486
17 5 6 Keulenbreiten des Rillenhoms 488
17 5 7 Direktivität von Rillenhom und Kegelhom 491
17 5 8 Optimale Bauweise 492
17 6 Skalarhom 494
17 7 Übungen 499
18 Aperturstrahler III (Linsenantennen) 500
18 1 Konvexe Verzögerungslinse 500
18 2 Aperturlinse im optimalen Kegelhom 503
18 2 1 Einfluss des Linsenmaterials 504
18 2 2 Berechnungsbeispiel 506
18 3 Konkave Beschleunigungslinse 508
18 4 Luneburg-Linse 509
18 5 Übungen 510
19 Aperturstrahler IV (Reflektorantennen) 511
19 1 Bauformen 511
19 2 Rotationsparaboloid mit direkter Speisung 514
19 3 Mehrspiegelantennen 515
19 4 Entwurf einer Cassegrain-Antenne 516
19 5 Gewinnverlust durch Aperturabschattung 520
19 6 Gewinnverlust durch Fehler der Oberflächenkontur 521
19 7 Gewinnverlust durch inhomogene Amplitudenbelegung 525
19 8 Übungen 528
Inhaltsverzeichnis
XIII
20 Aperturstrahler V (Schwarzer Strahler) 529
20 1 Schwarzkörperstrahlung und das Plancksche Strahlungsgesetz 529
20 2 Das Wiensche Verschiebungsgesetz 533
20 3 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz 534
20 4 Die spektrale Verteilung der Planckschen Strahlungsfunktion 535
20 4 1 Darstellung mit normiertem Argument 535
20 4 2 Quantile der Planckschen Strahlungsfunktion 536
20 4 3 Universelle Strahlungskurven 537
20 5 Radiometrische und photometrische Größen 539
20 6 Beleuchtungsstärke 544
20 7 Die Solarkonstante 546
20 8 Anwendungen in der Photovoltaik 547
20 9 Übungen 548
21 Streifenleitungsantennen 549
21 1 Grundlegende Entwurfsrichtlinien 549
21 1 1 Bauformen und Einspeisung 549
21 1 2 Mikrostreifenleitungen und rechteckige Patch-Elemente 550
21 2 Parasitäre Oberflächenwellen auf einlagigen Substraten 555
21 2 1 Eigenwertgleichungen und Grenzffequenzen 555
21 2 2 Synchrone Verkopplung 559
21 2 3 Feldbilder 560
21 3 Parasitäre Oberflächen wellen auf zweilagigen Substraten 561
21 4 Leistungsbetrachtungen 562
21 4 1 Leistung der Raumwelle 562
21 4 2 Leistung der TM0-Oberflächenwelle 564
21 4 3 Strahlungswirkungsgrad 565
21 5 Bandbreite 566
21 6 Analyse mit Hilfe des Cavity-Modells 568
21 6 1 Patch mit abgeschnittenem Substrat (Fall ©) 568
21 6 2 Grundplatte und Substrat mit unendlicher Ausdehnung (Fälle ©+®) 571
21 6 3 Kopolare und kreuzpolare Abstrahlung in den Fällen © und © 572
21 6 4 Weitere numerische Ergebnisse 574
21 6 5 Strahlungsleistung, Strahlungsleitwerte und Richtfaktor im Fall © 575
21 7 Gruppenantennen in Streifenleitungstechnik 577
21 8 Übungen 579
22 Spezielle Antennenformen 580
22 1 Schlitzantenne 580
22 2 Wendel- oder Helixantenne 584
22 3 Dielektrische Oberflächenwellenantenne 588
22 4 Übungen 591
Anhang 592
A Mathematische Formeln 592
A l Konstanten 592
XIV
Inhaltsverzeichnis
A 2 Trigonometrische Beziehungen 592
A 3 Funktionen mit komplexem Argument 592
A 4 Reihenentwicklungen für kleine Argumente 593
A 5 Asymptotische Darstellungen für große Argumente 593
A 6 Zylinderfunktionen und sphärische Zylinderfunktionen 594
A 7 Legendre-Polynome und ihre Ableitungen 594
A 8 Nützliche Integrale 595
A 9 Lommelsche Funktionen mit einem Index und zwei Argumenten 596
A 10 Modifizierte Besselfunktionen mit ganzzahligem Index 597
Al1 Krummlinige orthogonale Koordinatensysteme 598
B Elektrotechnische Formeln 599
B l Abkürzungen 599
B 2 Grundgleichungen 599
B 3 Vektorpotenziale 599
B 4 Feldgrößen 599
B 5 Verschiedenes 599
C Formeln zum Antennendesign 600
C l Schlanke Dipolantennen im Freiraum mit Mittelpunktspeisung 600
C 2 Gruppencharakteristik linearer Antennengruppen 600
C 3 Strahlung einer linearen Belegung bzw einer Rechteckapertur 601
C 4 Strahlung einer Kreisapertur 601
C 5 Ausbreitungskonstanten von Hohlleiterwellen 601
C 6 Homstrahler mit Maximalgewinn bei fester Baulänge 602
C l Beam efficiency und pattem factor elektrisch großer Antennen 602
C 8 Näherung für den Hauptkeulenverlauf verschiedener Antennen 603
D Eigenschaften ausgewählter Materialien 604
D l Relative Permittivität und Verlustfaktor (bei 300 K und 3 GHz) 604
D 2 Elektrische Leitfähigkeit von Metallen (bei 300 K) 604
E Streuparameter 605
E l Streumatrix 605
E 2 Reflexion, Transmission und Welligkeit 606
F Integral-Transformationen 607
F 1 Laplace-Transformation 607
F 2 Fourier-Transformation 608
Englische Übersetzungen wichtiger Fachbegriffe 609
Literaturverzeichnis 611
Sachwortverzeichnis 624
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