Antennen und Strahlungsfelder

Abstract

Die moderne Informationsgesellschaft zeigt einen zunehmenden Bedarf an schneller Verarbeitung und Übertragung großer Datenmengen. So ist z. B. die dynamische Entwicklung im Bereich des Mobilfunks und bei den Funknetzwerken noch lange nicht abgeschlossen. Notwendige hohe Datenraten bedingen breitbandige Spektren der beteiligten Signale, die sich als elektromagnetische Wellen entlang von Leitungen oder im Funkfeld ausbreiten. Mit dem weiteren Vordringen der drahtlosen Nachrichtentechnik in immer höhere Frequenzbereiche und in neue Anwendungsgebiete muss auch eine Fülle neuer Antennenformen entwickelt werden, wobei man sich die enormen Fortschritte bei den Berechnungsmethoden mit Hilfe rechnergestützter Simulationsverfahren zu Nutze macht. Verschiedene Anwendungsbereiche der modernen Kommunikationstechnik wie z. B. Ortung, Navigation, Mobilfunk, Richtfunk, Satellitenfunk sowie die Raumfahrt wären ohne eine weit entwickelte Antennentechnik undenkbar. Dieses Buch basiert auf zweisemestrigen Vorlesungen, die für Studierende der Elektrotechnik und Informationstechnik an der Hochschule Ravensburg-Weingarten seit 18 Jahren gehalten werden. Es wendet sich auch an Studierende verwandter Fachgebiete sowie an Ingenieure und Naturwissenschaftler, die mit Fragestellungen zur Abstrahlung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen betraut sind. Das Buch eignet sich zum vertiefenden Selbststudium neben der Vorlesung, zur Prüfungsvorbereitung oder als praktisches Nachschlagewerk für alle Funkanwender. Der Inhalt gliedert sich in 17 Kapitel. In den Kapiteln 1 bis 6 wird eine solide mathematische Basis für die Theorie elektromagnetischer Felder und Wellen gelegt und daraus werden die Methoden der Elektrodynamik ausführlich entwickelt. An einfachen Beispielen (TEM-Welle im Freiraum, Hohlleiterwellen) werden erste Feldlösungen hergeleitet. Wer in der Elektrodynamik bereits ausreichende Erfahrungen mitbringt, kann diese Einführung zunächst überblättern oder dort gegebenenfalls einzelne Details wieder auffrischen, um dann direkt in Kapitel 7 einzusteigen, wo die Grundbegriffe der Antennentechnik behandelt werden. Das Kapitel 8 bietet eine Vertiefung für mathematisch orientierte Leser und kann von eher technisch interessierten eventuell ausgelassen werden. Die Kapitel 9 bis 17 können weitgehend unabhängig voneinander bearbeitet werden, da sie sich jeweils mit ausgewählten Antennenformen beschäftigen: (9) Elementardipole und Rahmenantennen (10) Lineare Antennen (11) Gruppenantennen (12) Breitbandantennen (13) Hohlleiterantennen (14) Hornantennen (15) Linsenantennen (16) Reflektorantennen (17) Streifenleitungsantennen, Schlitzantennen, Helixantennen und Stielstrahler. In diesen Kapiteln wird der Leser an praxisorientierte Fragestellungen bei der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen durch verschiedenste Antennentypen herangeführt. Ein benutzerfreundlicher Anhang stellt wichtige Formeln kompakt zusammen und erleichtert das Nachschlagen häufig gebrauchter Ergebnisse. Viele durch Computersimulationen berechnete Feldbilder und Richtdiagramme machen die Elektrodynamik anschaulich begreifbar und ermöglichen ein tiefer gehendes Verständnis. Es wurde neben einer nachvollziehbaren Ausarbeitung der mathematischen Methoden großer Wert auf die physikalische Interpretation und Visualisierung der erhaltenen Ergebnisse gelegt, wozu 266 Abbildungen und 84 Tabellen wesentlich beitragen. In der komplett überarbeiteten vierten Auflage wurden im gesamten Text an vielen Stellen kleinere Änderungen und Ergänzungen vorgenommen, die zum besseren Verständnis beitragen. Außerdem wurden alle bekannt gewordenen Druckfehler beseitigt und die Literaturangaben auf den neuesten Stand gebracht. Insbesondere sind folgende Neuerungen im Vergleich zur dritten Auflage hervorzuheben: stark erweiterte Behandlung von Linsenantennen und Streifenleitungsantennen, verbesserte Designformeln für Doppelkonusantennen, neue Tabelle zu elektrischen Eigenschaften ausgewählter Materialien und Erweiterung der Übersetzungstabelle wichtiger Fachbegriffe. Klassische Entwurfsformeln für die genannten Antennenformen wurden durch numerische Simulationen mit modernen 3D-Gitterverfahren nochmals überprüft und konnten in ihrer Genauigkeit gesteigert werden. Mit 128 anwendungsbezogenen Übungsaufgaben (mehrheitlich mit vollständigen Lösungen) wird eine noch bessere Vertiefung ermöglicht. Bei weiterführenden Problemen helfen jetzt 249 Literaturangaben  wieder mehr als bei der vorherigen Auflage, da in den vergangenen zwei Jahren viele neue Veröffentlichungen hinzugekommen sind. In 70 Kurzbiografien werden bahnbrechende Arbeiten bekannter Wissenschaftler gewürdigt, die maßgeblich zur Entwicklung der Elektrodynamik und der Antennentechnik beigetragen haben. Ich danke dem Vieweg+Teubner Verlag für die sehr gute Zusammenarbeit und dafür, dass auf meine Änderungs- und Ergänzungswünsche für die vorliegende vierte Auflage verständnisvoll eingegangen wurde. Ein besonderer Dank gilt meinen Studierenden und allen Lesern, die wertvolle Anregungen und Verbesserungsvorschläge gemacht haben. Insbesondere habe ich mich über die freundliche Aufnahme der ersten drei Auflagen durch die Leserschaft sehr gefreut. Ein ausdrücklicher Dank gilt wieder meiner lieben Frau, Elisabeth Höbner-Kark, die meine Bemühungen um die umfangreiche Überarbeitung der dritten Auflage in jeder Weise unterstützt hat.