Hallo allerseits,
ich habe ein Funkmodul gegeben und schließe dort eine
Lambda-Viertel-Monopolantenne in Form einer IFA-Antenne (inverted
F-Antenna) an.
Mein Funkmodul hat 50 Ohm Ausgangsimpedanz. Die Antenne folgt
unmittelbar am Ausgang des Moduls.
Nun Frage ich mich, warum (im Detail) der Kurzschluss gegen Masse nötig
ist?
Grundsätzlich dient dieser ja der Anpassung der Antenne als Last an die
Quelle. Je nachdem an welcher Stelle kurzgeschlossen wird, ändert sich
die Impedanz der Antenne.
Nun ist es ja aber so, dass die Lambda-Viertel Strahler eine reelle
Impedanz über ihre Leitungslänge hinweg erneut zu einer reellen Impedanz
transformieren.
Mein Modul besitzt 50 Ohm Ausgang und der Lambda-Viertel Dipol
prinzipiell ca. 37 Ohm.
Grundsätzlich ist das ja schonmal nicht so schlecht angepasst, so dass
ich meinen würde, ein inverted L müsste ebenfalls zu sehr guten
Ergebnissen führen. Dennoch haben die IFA-Antennen einen Kurzschluss, um
so meine ich eine Spule zu simulieren.
Dient diese Spule nun dem Ausgleich von Kapazitiven Effekten, die
entstehen, weil das gekippte F mit einer relativ langen Breitseite
parallel dicht zur Masse verläuft,
oder dient der Kurzschluss der Anhebung der Antennenimpedanz auf 50 Ohm,
ohne dass dabei kapazitive Effekte relativiert werden sollten?
...oder geschieht letztenendes beides?
mfg und vielen Dank
BTM schrieb:> Dient diese Spule nun dem Ausgleich von Kapazitiven Effekten, die> entstehen, weil das gekippte F mit einer relativ langen Breitseite> parallel dicht zur Masse verläuft,> oder dient der Kurzschluss der Anhebung der Antennenimpedanz auf 50 Ohm,> ohne dass dabei kapazitive Effekte relativiert werden sollten?> ...oder geschieht letztenendes beides?
<http://www.antenna-theory.com/antennas/aperture/ifa.php>;
...danke für den Link, die Seite habe ich allerdings bereits gekannt und
meine Fragen werden nicht zufriedenstellend beantwortet.
Ich fasse mal zusammen, wie ich mir die IFA-Antenne erkläre, ggf. könnt
ihr bei einigen Punkten einsteigen, bestätigen oder verbessern:
1.: Die IFA ist zusammen mit der GND-Spiegelung Lambda-halbe lang. Diese
Länge sollte ungefähr eingehalten werden, damit sich eine Stehende Welle
ohne Reflexionen aufbaut.
2.: Die lotrechte Lambda/4-Monopol Antenne über GND besitzt ca. Z = 37
Ohm rein reell, wodurch darauf geschlossen werden kann, dass bei der IFA
aufgrund der höheren kapazitiven Aufladung ca. ein Z = 37 + jwC sich
ausbildet.
3.: Aufgrund der kapazitiven Aufladung muss die IFA Antenne nun nicht
mehr Lambda/4 = 3,1cm lang sein, sondern die Höhe und Länge
zusammengenommen nurnoch ca. 2,5cm. richtig?
(Anmerkung: Die Länge besteht der Literatur zufolge aus Höhe + Länge bis
zum shorting-Pin.)
4. Um mit der verkürzten Struktur nun eine Anpassung an 50 Ohm zu
erhalten, wird durch Einfügung des Shorting-Elements eine Spule parallel
geschaltet. Es entsteht nun der Parallelschwingkreis aus Spule,
Kondensator und dem reellen Anteil, wobei sich Spule und Kondensator
gegenseitig aufheben müssen.
Wie hoch kann der reelle Anteil nun angenommen werden?
mfg
BTM schrieb:> ...danke für den Link, die Seite habe ich allerdings bereits gekannt und> meine Fragen werden nicht zufriedenstellend beantwortet.
Da verstehe ich dein Problem nicht. Die Funktionsweise der planaren IFA
ist dort so korrekt und umfassend erklärt, wie das in einem solchen
Rahmen eben möglich ist. Und dass ein bisschen stochern auf dem
Müllhaufen des Internets ein mehrjähriges Studium ersetzt, darfst du
wirklich nicht erwarten.
> Ich fasse mal zusammen, wie ich mir die IFA-Antenne erkläre, ggf. könnt> ihr bei einigen Punkten einsteigen, bestätigen oder verbessern:>> 1.: Die IFA ist zusammen mit der GND-Spiegelung Lambda-halbe lang. Diese> Länge sollte ungefähr eingehalten werden, damit sich eine Stehende Welle> ohne Reflexionen aufbaut.
Die planare IFA ist kein Monopol oder Dipol über einer ausgedehnten
Groundplane, an der das Spiegelungsprinzip angewandt werden könnte.
Verabschiede dich von dieser Vorstellung, sonst wirst du deine
Verständnisschwierigkeiten nie los.
Dann: Was ist eine "stehende Welle ohne Reflexionen"? Die Ausbildung
einer stehenden Welle beruht doch gerade auf einer vollständigen
Reflexion.
> 2.: Die lotrechte Lambda/4-Monopol Antenne über GND besitzt ca. Z = 37> Ohm rein reell, wodurch darauf geschlossen werden kann, dass bei der IFA> aufgrund der höheren kapazitiven Aufladung ca. ein Z = 37 + jwC sich> ausbildet.
Wie gesagt: Mit einem Lambda/4-Monopol über GND haben wir es hier nicht
zu tun. Eher mit einem Lambda/4-Resonator, an einem Ende kurzgeschlossen
und am anderen Ende offen und irgendwo dazwischen die Einspeisung. Und
nebenbei: Z ist die Impedanz, wenn schon, dann also 1/(jwC) oder -j/(wC)
statt jwC.
> 3.: Aufgrund der kapazitiven Aufladung muss die IFA Antenne nun nicht> mehr Lambda/4 = 3,1cm lang sein, sondern die Höhe und Länge> zusammengenommen nurnoch ca. 2,5cm. richtig?
Nein. Das "F" ist kein umgekippter Monopol über GND sondern eine Hälfte
eines Schlitzstrahlers. Der kurze seknrechte Teil bildet dabei den
Kurzschluss an einem Ende.
Die Längen, die du hier angibst, kann man auch nur verifizieren oder
falsifizieren, wenn du deine Betriebsfrequenz dazusagst, was du bisher
nicht getan hast. Dir geht es also anscheinend um 2,45 GHz.
> 4. Um mit der verkürzten Struktur nun eine Anpassung an 50 Ohm zu> erhalten, wird durch Einfügung des Shorting-Elements eine Spule parallel> geschaltet. Es entsteht nun der Parallelschwingkreis aus Spule,> Kondensator und dem reellen Anteil, wobei sich Spule und Kondensator> gegenseitig aufheben müssen.
Da ist ein Funken Wahrheit drin. Das Shorting-Element wirkt aber nicht
primär als Induktivität sondern als Kurzschluss. Eine Induktivität wird
daraus erst durch Transformation des Kurzschlusses über ein Stück
Leitung bis zum Speisepunkt.
Die planare IFA ist eine Hälfte eines Schlitzstrahlers. Das ist der nach
dem Babinetschen Prinzip komplementäre Strahler zu einem Dipol. In der
Mitte befindet sich eine Stromnullstelle, dort wurde er aufgetrennt und
eine Hälfte weggelassen. Wählt man im Inneren der anderen Hälfte einen
Speisepunkt, so befindet sich dort die Parallelschaltung aus einer
Induktivität (der Kurzschluss über eine Leitung transformiert) und einer
Kapazität (der Leerlauf über eine Leitung transformiert). Es gibt nun
einen Punkt, an dem -1/(wL) und wC gleich groß sind und sich
kompensieren. Dort bleibt als Impedanz nur der reelle
Strahlungswiderstand übrig. Man kann sich von diesem Punkt auch etwas
entfernen, wenn man einen anderen Realteil braucht. Dabei bezahlt man
aber den Preis, dass der Imaginärteil auch nicht mehr verschwindet.
> Wie hoch kann der reelle Anteil nun angenommen werden?
Na ja, ganz grob irgendwo zwischen 10 Ohm und 200 Ohm. Hängt von der
Höhe des F und von der Lage des Speisepunktes ab. Gewissheit dürfte dir
da nur eine Feldsimulation bringen.
>Nein. Das "F" ist kein umgekippter Monopol über GND sondern eine Hälfte>eines Schlitzstrahlers. Der kurze seknrechte Teil bildet dabei den>Kurzschluss an einem Ende.
Das ist wohl nur die halbe Wahrheit... In den Büchern die ich als
Referenz habe, ist sie teilweise direkt als Monopol-Antenne
ausgezeichnet ("Antennas from Theory tp Practise", 2008 S.140") oder
aber der direkte Verwandte, das inverted L ist als Monopol ausgewiesen
("Practical Antenna Handbook, 2012 S.416").
In wieder anderen Büchern habe ich sie aber tatsächlich auch im Kapitel
über Schlitzstrahler wiedergefunden und die Erläuterungen auf der
bereits genannten Website sind ja über diese Herangehensweise ebenfalls
nachvollziehbar.
>Dir geht es also anscheinend um 2,45 GHz.
Richtig
BTM schrieb:> Das ist wohl nur die halbe Wahrheit... In den Büchern die ich als> Referenz habe, ist sie teilweise direkt als Monopol-Antenne> ausgezeichnet ("Antennas from Theory tp Practise", 2008 S.140") oder> aber der direkte Verwandte, das inverted L ist als Monopol ausgewiesen> ("Practical Antenna Handbook, 2012 S.416").
Ja gut, es gibt eine "Community", die möchte mit aller Gewalt jegliche
Antennenbauform auf den ihr heiligen Stielstrahler zurückführen. Dass
diese Leute Bücher schreiben, lässt sich auch nicht ganz vermeiden.
Wie dem auch sei, Fakt ist: Beim Lambda/4-Monopol steht der 2. Leiter
senkrecht zu GND, bei der IFA verläuft er größtenteils parallel dazu und
wird an anderer Stelle gespeist. Die Stromverteilung und damit die
strahlende Feldverteilung sehen in beiden Fällen grundverschieden aus.
Der Monopol ist rotationssymmetrisch, die IFA eher ein Abschnitt einer
Zweidrahtleitung. Der Versuch, Monopoleigenschaften auf die IFA zu
übertragen, mag bis zu einem gewissen Grad funktionieren, das Modell hat
aber zwangsläufig auch Grenzen. Du hörst dich für mich so an, als
würdest du mit deinen Überlegungen gerade an diese Grenzen stoßen. Jetzt
kannst du mit diesem Modell weiterwursteln oder es eben verfeinern.
Plasmon schrieb:> Ja gut, es gibt eine "Community", die möchte mit aller Gewalt jegliche> Antennenbauform auf den ihr heiligen Stielstrahler zurückführen. Dass> diese Leute Bücher schreiben, lässt sich auch nicht ganz vermeiden.
Muss ich leider zustimmen, ist wirklich so, Tendenz steigend.
Die Rückführung solcher kompakten Antennen auf irgendeinen
Lehrbuch-Grundtyp ist einfach der mehr oder wenig hilflose Versuch,
etwas kompliziertes einfach zu erklären.
Dabei kann man zu Analysezwecken, d.h. man weiß das sie strahlt und will
erklären warum, verschiedene Modelle heranziehen. Die IFA als induktiv
angekoppelten geknickten Monopol mit Dachkapazität zu sehen, ist genauso
nah an der physikalischen Realität, also ob ich sie als halben
Schlitzdipol mit Randspeisung betrachte. Für einen Monopol ist sie zu
verkümmert, für einen Schlitzstrahler passt das Flächenverhältnis nicht.
Wie auch in den Videos des nuschelnden US-Profis zu erkennen ist, geht
es letztendlich nur um die sich ausbildenden Spannungen, Ströme und
Feldverhältnisse. Je nachdem welche Parameter man ermitteln möchte
arbeitet man dabei mit Ersatzschaltbild-Elementen oder HF-Leitungen und
Wellen oder beidem.
Für das Antennendesign, also ich möchte eine effektiv strahlende
Struktur erzeugen, ist die Sache eigentlich einfach zu formulieren.
Mindestens eine Feldkomponente darf sich auf der Struktur nicht aufheben
(idealerweise positiv superpositioniert).
Für die (idealen) Antennen-Grundtypen gibt es dafür geschlossen
(Näherungs)lösungen. Bei der IFA ist das relativ aussichtslos. Daher ist
man gezwungen mit vereinfachten Modellen, Feldsimulationen und
Testaufbauten zu arbeiten, um die entsprechenden Zusammenhänge zwischen
mechanischer Geometrie und Feldverhältnissen herzustellen und
entsprechende Optimierungsansätze zu erhalten.
Je nach Anspruch endet das dann auch in den Kochrezepten von App-Notes
und Antennenbüchern.
Nur weil heute in jedem Handy gleich mehrere solcher IFA / PIFA verbaut
sind, heißt das nicht das das trivial ist. Für ein solches Design haben
sich mehrere Teams von erfahrenen HF-Entwicklern mehrere Monate die Zeit
vertrieben und dabei mit Equipment und Software im Wert einer kleinen
Immobilie in günstiger innerdeutscher Lage gespielt.
Randnotiz zu Büchern/Dissertationen:
"Die Wissenschaft, sie ist und bleibt, was einer ab vom andern
schreibt..."
Eugen Roth
