Creating halfwave dipole antennas for calibration and verification

January 19, 2018

Referenzantenne zum kalibrieren und verifizieren

Kalibrierte Dipole sind die wichtigsten Antennen seit beginn der drahtlosen Kommunikation. Die Karakteristik der Dipolantenne kann mit Hilfe von Maxwell’s und Hertz’s Gleichungen berechnet werden. Dadurch wurde der “Halfwave Dipole”(λ/2) zur Referenzantenne. Die ideale λ/2 Antenne hat eine äquivalente isotrope Strahlungsleistung von 2.15dBi und eine charakteristische Impedanz von 73 Ω. Die Dipolantenne hat eine maximale Abstrahlung normal zur Achse des Dipols. Die Impedanz von reellen λ/2 Antennen ist abhängig vom Drahtdicke/Länge Verhältnis. Typische Werte liegen zwischen 60 und 70 Ω. Man findet komerzielle Antennen im bereich von 30MHz-4GHz.

Aufbau einer Referenzantenne für 500MHz

Da der λ/2 Dipol symetrisch ist, aber typischerweise von einer unsymetrischen Koaxialleitung gespeist wird, ist ein Balun (von blanced/unbalanced) von nöten, da es sonst zu Gleichtaktströmen kommt. Diese Gleichtaktströme würden dann vom Schirm der Koaxialleitung abgestrahlt. Es gibt verschiedene Typen von Balun’s. Für höhere Frequenzen bietet sich ein Balun aus einer λ/4 Verzögerungsleitung an, da die Verluste niedriger sind. Diese Verzögerungsleitung, die aus der gleichen Koaxialleitung gemacht werden kann kompensiert genau diesen Effekt, allerdings ist die Bandbreite sehr eng.

Abb.1 Schematische Darstellung λ/2 Dipol mit Verzögerungsleitung als Balun

Die Antenne wurde mit einem halbstarren HDF400(RG8/U) Koaxialleitung realisiert. Der Hersteller gibt die nominale Ausbreitungsgeschwindigkeit im Datenblatt 85% an. Damit ergibt sich die Länge der Verzögerungsleitung:

λ=0.85*c/f (1)

l=λ/4=0.14m

Am unteren Ende werden die Schirme von der speisenden Koaxialleitung und der Verzögerungsleitung verlötet. Am oberen Ende wird der Schirm der Verzögerungsleitung an den Innenleiter angelötet. Der Innenleiter der Verzögerungsleitung bleibt frei.

Abb.2 Detailansicht
Abb.3 Detailansicht

VSWR Messung

Zur genaueren Klassifizierung der Antenne soll der VSWR mittels eines Richtkopplers bestimmt werden. Die Anordnung der Messung ist in Abb.4 dargestellt.

Abb.4 Setup zu VSWR Bestimmung

$\large \rho = \sqrt{\frac{P_r}{P_i}} = 0.133 $ $\large VSWR = \frac{\rho+1}{\rho-1} = 1.31$

Bei einem VSWR von 1.31 werden ca. 98.3% der Leistung emittiert und 1.7% auf der Koaxialleitung reflektiert.

Feldstärke im Fernfeld

Die Leistungsdichte $P_d$[W/m^2] und Effektivleistung $P_a$[W] bei einem Abstand r[m] und einer Sendeleistung $P_r$[W]:

$\large P_d={P_a}*G_d=\frac{G_d*P_r}{\pi*4*r^2}[W]$

Bei 2m Abstand einem Gain Gd=1.64 (2.15dBi) und einer Sendeleistung von 10dBm ergibt sich die Leistungdichte:

$\large P_d=0.33\frac{mW}{m^2}$

$\large \vec{P_a} = \frac{Re(\vec{E}\times\vec{H^{*}})}{2}[\frac{W}{m^2}]$

Im Fernfeld kann man folgende Vereinfachung treffen:

$\large \eta_0=\frac{E_θ}{H_φ}=377$Ω

eingesetzt und nach der el. Feldstärke aufglöst:

$\large \vec{P_a} = \frac{E^2}{2*\eta_0}\vec{a}_r$

$\large E_\theta=\sqrt{2*377\sqrt{P_a^2}}=0.5[V/m]\widehat{=}114dB\mu V$

Messung der Feldstärke

Zum Einsatz kommt eine kalibrierte bikonisch-logarithmische Antenne, ein Spectrum Analyzer und ein Signalgenerator.

Bei 505MHz (minimum der Reflektionen) ergeben sich am Analyzer 84dBuV+3dB Dämpfung auf der Antennenleitung. Mit dem Antennenfaktor;

$\large AF_{dBm^-1}=23.3$ @ 500MHz

$\large V_\text{rdBuV}=84[dBuV]$

Bei einem Verlust auf der Antennenleitung von 3dB:

$\large E_\text{dBuV/m}=84+3+23.3=110.3[dBuV/m]$