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Serie HF-Simulation - Teil 1

So funktioniert die numerische Modellierung von Antennen

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Doppelreflektorantenne mit Geometrie richtig auslegen

Phasenzentrum einer Hornantenne: Links im Bild, sie dient als Speisenetzwerk der Doppelreflektorantenne (Mitte). Die Richtcharakteristik (rechts) weist viele axialsymmetrische Nebenkeulen auf.
Phasenzentrum einer Hornantenne: Links im Bild, sie dient als Speisenetzwerk der Doppelreflektorantenne (Mitte). Die Richtcharakteristik (rechts) weist viele axialsymmetrische Nebenkeulen auf.
(Bild: CADFEM)
Die Richtcharakteristik einer Antenne wird sowohl durch den primären Strahler (Resonator), der meist kleiner als eine halbe Wellenlänge (Dipolantenne) ist, als auch durch Reflexion, Beugung oder Brechung an größeren Bauteilen in der Umgebung bestimmt. Dies ist bei der Auslegung einer Doppelreflektorantenne zu berücksichtigen.

Das Reflektorsystem einer Doppelreflektorantenne kann mit Hilfe geometrischer Optik ausgelegt werden (siehe Bild oben, „Phasenzentrum der Hornantenne“). Hierbei sind die Brennpunkte des Parabolspiegels und des elliptischen Reflektors so anzuordnen, dass das Phasenzentrum der speisenden Hornantenne im ersten Brennpunkt des elliptischen Reflektors liegt und der zweite Brennpunkt des elliptischen Reflektors im Brennpunkt des Parabolspiegels.

Das Phasenzentrum der Hornantenne wird jedoch mit Hilfe einer Feldsimulation ermittelt, in der die Phasenlage des Fernfeldes berechnet wird. Die Feldsimulation hilft auch, Welleneffekte wie Beugung am Rand der Reflektoren und Brechung am Radom schon in der Entwicklungsphase mit zu berücksichtigen. Die vielen axialsymmetrischen Nebenkeulen der Abstrahlcharakteristik sind durch diese Effekte bedingt. Um Modelle dieser elektrischen Größe, d.h. von der Größe vieler Wellenlängen, zu berechnen, arbeitet ANSYS HFSS mit leistungsstarken Gleichungslösern, beispielsweise mit der sogenannten „Domain Decomposition“ oder einem Finite-Elemente-Rand-Integral-Hybridlöser.

Feldsimulation erleichtert das Antennendesign

Reflexion, Beugung und Brechung spielen auch bei der Antennenplatzierung eine Rolle: In den meisten Fällen ist es mit der Auslegung der Antenne noch lange nicht getan, denn beispielsweise hängt die Funktion einer Antenne sehr stark von ihrer Positionierung ab. Wenn etwa eine gut angepasste Antenne in die Rückleuchte eines Autos integriert wird, können Reflexion, Beugung und Brechung an der Abdeckung und der Karosserie den Wirkungsgrad einschränken und die Richtcharakteristik stark beeinträchtigen. Diese Rückwirkungen lassen sich per HF-Simulation abbilden, ebenso wie viele weitere Aufgabenstellungen im Antennendesign.

Durch die numerische elektromagnetische Simulation können – wie hier aufgezeigt wurde – also bereits sehr früh im Designprozess entscheidende Hürden genommen werden. In der nächsten Ausgabe wird gezeigt, wie mit Simulation das Verständnis über das physikalische Verhalten der zu entwickelnden Bauteile und Produkte erhöht wird.

* Christian Römelsberger ist Experte im Bereich der hochfrequenten elektromagnetischen Simulation bei CADFEM.

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