📡 Antennenstrahlung — Dipol-Feldmuster

Die zeitlich gemittelte abgestrahlte Leistung pro Raumwinkel eines Hertzschen Dipols der Länge dℓ und des Stroms I ist dP/dΩ = (I² dℓ² / 8λ²) × Z⊂0; × sin²θ, wobei Z⊂0; ≈ 377 Ω die Impedanz des freien Raums und λ die Wellenlänge ist. Die gesamte abgestrahlte Leistung ist P = (I² dℓ² / 12) × Z⊂0; / λ². Der Fernfeld-Poynting-Vektor fällt mit 1/r² ab, sodass die Amplitude des elektrischen Feldes mit 1/r abfällt. Diese Ergebnisse folgen direkt aus den retardierten Potentialen der Maxwell-Gleichungen.

Ein Phased Array speist jedes Element mit einem Signal, dessen Phase β gegenüber dem Nachbarn fortlaufend verschoben ist. Der kombinierte Array-Faktor ist AF = Σ exp(i(k d cosθ + β)n) für n = 0 bis N-1, wobei k = 2π/λ und d der Elementabstand ist. Die Hauptkeule erreicht ihr Maximum dort, wo k d cosθ + β = 0 ist, was einen Keulenwinkel θ⊂0; = arccos(-β/(kd)) ergibt. Durch elektronisches Ändern von β in Nanosekunden scannen moderne Radar- und 5G-Systeme die Keule über den Himmel ohne mechanische Verzögerung.

Ja. Das Reziprozitätstheorem der Elektromagnetik besagt, dass das Gewinnmuster und die Impedanz einer Antenne identisch sind, egal ob sie sendet oder empfängt. Ein Halbwellendipol, der am stärksten breitseitig abstrahlt, ist auch am empfindlichsten für eingehende Signale, die breitseitig eintreffen. Deshalb kann dasselbe Antennendesign (und sogar dieselbe physische Antenne über einen Duplexer) sowohl zum Senden als auch zum Empfangen in Radarsystemen und Sprechfunkgeräten verwendet werden.

Heinrich Hertz führte 1886-1888 die entscheidenden Experimente durch und erzeugte und detektierte Radiowellen mit einem Funkenstrecken-Dipolsender und einem resonanten Schleifenempfänger. Er maß die Wellenlänge und zeigte, dass die Wellen reflektiert, gebrochen und polarisiert wurden, genau wie es Maxwells Theorie von 1865 vorhersagte — was bestätigte, dass Licht und Radiowellen dasselbe Phänomen bei unterschiedlichen Frequenzen sind. Guglielmo Marconi erweiterte Hertz' Laborvorführung anschließend zu praktischer drahtloser Telegrafie über große Entfernungen und sendete 1901 das erste transatlantische Signal.

Das Nahfeld (reaktive Zone, innerhalb von etwa λ/2π der Antenne) speichert oszillierende Energie, die in jedem Zyklus zur Quelle zurückkehrt, anstatt abzustrahlen; Felder fallen mit 1/r² und 1/r³ ab und sind stark reaktiv. Das Fernfeld (Strahlungszone, jenseits von etwa 2D²/λ bei Aperturantennen) enthält die sich ausbreitende Welle, in der Felder mit 1/r abfallen und das Verhältnis E/H = Z⊂0; ist. Praktische Auswirkungen: Nahfeldkopplung wird bei NFC, kabellosem Laden und MRT-Spulen genutzt; das Fernfeldverhalten bestimmt Sendeabdeckung, Radarreichweite und Satellitenverbindungen.

Antennengewinn, Keulenbreite, Nebenkeulenpegel und Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis sind zentrale Kenngrößen in jedem Funkstreckenbudget. Mobilfunk-Basisstationen nutzen Sektorantennen mit etwa 120° horizontaler Keulenbreite, um Zellen abzudecken, ohne benachbarte Sektoren zu stören. Satellitenschüsseln nutzen Parabolreflektoren, um eine breitseitige Keule auf 0,5° oder weniger zu fokussieren und Gewinne von 40-50 dBi zu erreichen. Radioteleskope schalten Hunderte von Schüsseln kohärent zusammen (z. B. das VLA), um kilometergroße Aperturen zu synthetisieren und Karten ferner Galaxien mit Milliarcsekunden-Auflösung zu erstellen.

Aktive Forschungsgebiete umfassen: rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) — passive Arrays elektronisch abstimmbarer Reflektoren, die den Funkkanal in 6G-Netzen formen; Strahlen mit orbitalem Drehimpuls (OAM), die unabhängige Datenströme auf koaxialen Wirbelmoden multiplexen; Terahertz-Antennen (100 GHz - 10 THz) für Sub-Millimeter-Bildgebung und Verbindungen jenseits von 5G; sowie metamaterialinspirierte Antennen, die Sub-Wellenlängen-Aperturen und nahezu perfekte Abstrahlungseffizienz erreichen. Quantensensorik mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren ermöglicht zudem antennenfreie Detektion oszillierender Magnetfelder im Nanomaßstab.