Eine Sendeantenne wandelt elektrische Signale in elektromagnetische Wellen um und bewältigt dabei typischerweise Leistungspegel von 10 W bis 50 kW. Eine Empfangsantenne fängt diese Wellen ein und wandelt sie zurück in elektrische Signale um, wobei sie normalerweise mit geringer Leistung arbeitet, etwa im Bereich von -50 dBm bis -20 dBm.
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Verwendung
Sendeantennen werden in Radiosendern, Fernsehsendemasten und Mobilfunkbasisstationen eingesetzt. Die Sendeantennen von FM-Radiosendern arbeiten im Band von 88 bis 108 MHz, und die Sendeleistung kann 5.000 Watt oder mehr erreichen. Diese Leistung kann einen Radius von etwa 80 Kilometern abdecken und stellt sicher, dass Nutzer innerhalb dieser Reichweite das Signal klar empfangen können. Die Sendeantennenleistung einer Mobilfunkbasisstation liegt je nach dem abzudeckenden Gebiet zwischen 20 Watt und 100 Watt; in Vororten oder ländlichen Gebieten ist die Leistung der Basisstation größer, während sie in der Stadt kleiner ist, da die Basisstationen dort dichter stehen.
Die Empfangsantenne eines Heimfernsehers kann Signale von Fernsehtürmen empfangen, die wenige bis zig Kilometer entfernt sind. Im Fall des digitalen Fernsehens verwendet der Nutzer eine Empfangsantenne mit einer Empfindlichkeit zwischen 25 und 35 dBi; eine solche Antenne kann elektromagnetische Wellen in einem Signalstärkebereich von 1 μV bis 50 μV empfangen. Der Preis für eine Heimempfangsantenne liegt im Allgemeinen zwischen 200 und 600 Yuan.
Leistungsbelastbarkeit
Die für die Mittelwellen-Rundfunkübertragung verwendeten Sendeantennen haben eine Leistung von bis zu 50 Kilowatt, während kleine Sendeantennen für den Heimgebrauch nur eine Leistung von wenigen Dutzend Watt aufweisen, wie etwa die von Wi-Fi-Routern verwendeten Sendeantennen zwischen 0,1 Watt und 1 Watt. Das Antennendesign des Routers ist zudem für verschiedene Frequenzbänder optimiert, wie zum Beispiel das 2,4-GHz-Band, das für eine größere Reichweite geeignet ist, und das 5-GHz-Band, das eine höhere Datenübertragungsrate bietet.
Die Signalleistung der Satellitenfernseh-Empfangsantenne kann zwischen -50 dBm und -20 dBm verarbeitet werden, und die Empfindlichkeit einer Satellitenantenne mit einem Durchmesser von 1,8 Metern kann mehr als 45 dBi erreichen.
Häufig verwendete Materialien für Sendeantennen sind Kupfer und Aluminiumlegierungen; die Leitfähigkeit von Kupferdraht beträgt 5,96 × 10^7 S/m und ist damit viel höher als bei anderen gängigen Materialien. Eine Hochleistungs-Sendeantenne für einen Radiosender kann Hunderttausende von Yuan kosten und hat eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren.
Eine Standard-Außenempfangsantenne kann acht bis 12 Jahre halten, und der Preis liegt je nach Spezifikation und Material der Antenne zwischen 300 und 1.000 Yuan. Die Lebensdauer einer Innenempfangsantenne beträgt im Allgemeinen 5 bis 8 Jahre, und der Preis ist mit 100 bis 300 Yuan relativ niedrig.
Die Installationskosten für die Sendeantenne eines Radiosenders können sich auf Hunderttausende oder sogar Millionen von Yuan belaufen, und die Leistung der Sendeantenne muss unter Umständen mehr als 30 % höher sein als in ebenen Gebieten, um topografische Hindernisse zu überwinden. Die Wartungskosten belaufen sich auf Zehntausende Dollar pro Jahr für regelmäßige Inspektionen, Gerätekalibrierung und den Austausch beschädigter Teile.
Die Installationskosten für eine Satellitenfernseh-Empfangsantenne liegen zwischen 500 und 2.000 Yuan, abhängig vom Installationsort und der Schwierigkeit des Signalempfangs. Die Wartungskosten sind günstiger; Heimanwender müssen im Allgemeinen nur alle paar Jahre die Richtung der Antenne anpassen, was etwa 100 bis 200 Yuan kostet.
Designüberlegungen
Eine typische AM-Rundfunk-Sendeantenne verwendet eine vertikal polarisierte Rundstrahlantenne. Bei AM-Radiosendern mit einer Leistung von mehr als 10 kW liegt die Antennenhöhe zwischen 100 und 200 Metern. Die Antennenhöhe muss ein Viertel der Wellenlänge des Signals betragen, um eine effiziente Übertragung zu gewährleisten. Beim Betrieb im 1000-kHz-Band beträgt die Antennenhöhe etwa 75 Meter.
Sendeantennen für Ultrahochfrequenz-Fernsehsignale (UHF) sind typischerweise als Gruppenantennen (Array-Antennen) konzipiert, die die Sendeleistung in eine bestimmte Richtung fokussieren können, um die Signalstärke zu erhöhen und Energieverluste in andere Richtungen zu reduzieren. UHF-Fernsehantennen senden mit einer Leistung zwischen 5 kW und 20 kW. Die Größe des Antennen-Arrays variiert je nach spezifischem Versorgungsbedarf; die Länge des Antennen-Arrays bei einigen großen städtischen Fernsehtürmen kann 50 Meter überschreiten.
Hochfrequenzsignale (wie FM-Radio- und Fernsehsignale) erfordern relativ kurze Antennen. FM-Radio mit einem Frequenzbereich von 88 bis 108 MHz hat eine Wellenlänge von etwa 3 bis 4 Metern, daher liegt die typische Länge einer Antenne bei einer Viertel- oder halben Wellenlänge, also zwischen 0,75 Metern und 2 Metern. Sendeantennengrößen für Niederfrequenzsignale, wie Langwellen-Rundfunkantennen, arbeiten im Frequenzbereich von 30 bis 300 kHz mit Wellenlängen zwischen 1 km und 10 km.
Am Beispiel der Heim-TV-Empfangsantenne: Das TV-Signal im UHF-Band (470 bis 862 MHz) nutzt eine Antennenwellenlänge von 30 bis 60 cm, daher liegt die Größe der Empfangsantenne zwischen 10 cm und 30 cm. Die Satelliten-TV-Empfangsantenne arbeitet im Frequenzband oberhalb von 10 GHz, und der Durchmesser der Empfangsschüssel reicht von 60 cm bis 1,8 m, abhängig von der Stärke des Satellitensignals und dem geografischen Standort des Empfangspunkts.
Die Sendeantenne verwendet Kupfer oder Aluminium als Hauptmaterial. Kupfer hat eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 5,96 × 10^7 S/m, eine der höchsten unter den gängigen Metallen. Obwohl die Leitfähigkeit von Aluminium nur 2,38 × 10^7 S/m beträgt, ist es aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit dennoch ein gängiges Material für Hochfrequenz-Sendeantennen. Bei Hochleistungs-Kurzwellensendern mit 50 kW ist die Wärmeableitung des Antennenmaterials sehr wichtig und muss durch Luft- oder Flüssigkeitskühlsysteme kontrolliert werden.
Die Türme und Antennen müssen so konstruiert sein, dass sie Windgeschwindigkeiten von mehr als 200 Kilometern pro Stunde standhalten. Nach Industriestandards muss eine effiziente Sendeantenne in der Lage sein, 20 bis 30 Jahre lang eine stabile Leistung zu erbringen. Wartungskosten machen dabei 10 % bis 15 % der Gerätekosten aus. Gängige Antennen verfügen über Funktionen zur Unterdrückung von Funkstörungen und elektromagnetische Abschirmung; der Preis liegt zwischen 100 und 300 Yuan.
Antennengewinn
Der Antennengewinn ist ein wichtiges Maß für die Fähigkeit einer Antenne, elektromagnetische Wellen gerichtet abzustrahlen oder zu empfangen, und wird in dBi (Gewinn relativ zu einem Isotropstrahler) oder dBd (Gewinn relativ zu einer Dipolantenne) ausgedrückt. Eine typische Rundstrahl-Sendeantenne hat einen Gewinn von 3 dBi, was bedeutet, dass sie das Signal horizontal bündeln und die Signalstärke im Vergleich zu einem Isotropstrahler erhöhen kann. Hochgewinn-Richtantennen können die Energie in eine bestimmte Richtung fokussieren, wobei Gewinne von 10 dBi bis 20 dBi möglich sind. Einige Hochgewinn-Sendeantennen für Wi-Fi erreichen Gewinne von bis zu 12 dBi und können Entfernungen von Hunderten von Metern abdecken.
Im Bereich des Rundfunks hat eine typische FM-Rundfunk-Sendeantenne normalerweise einen Gewinn von 10 dBi, was eine Signalabdeckung in einem Radius von 50 km bis 100 km gewährleistet, abhängig von der Sendeleistung. Im Fall eines Radiosenders, der mit 5.000 Watt sendet, kann eine Antenne mit 10 dBi Gewinn die Signalqualität über große Entfernungen aufrechterhalten. In Mobilfunkbasisstationen liegt der Gewinn der Sendeantenne üblicherweise zwischen 14 dBi und 18 dBi. Solche Hochgewinnantennen können eine präzise Abdeckung in der Stadt erreichen und die Stabilität und Effizienz der Kommunikation verbessern. Am Beispiel einer typischen städtischen Basisstation: Eine Basisstation mit einer Sendeleistung von 50 Watt hat einen Antennengewinn von 16 dBi, was einen Radius von mehreren Kilometern abdecken kann.
Eine typische Satellitenempfangsantenne hat einen Gewinn von 30 dBi bis 45 dBi; je höher der Gewinn, desto stärker ist das empfangene Signal und desto höher ist die Signalklarheit. In Europa hat eine Satellitenempfangsantenne mit 1,2 Metern Durchmesser einen Gewinn zwischen 38 dBi und 40 dBi, was sicherstellt, dass die Signaldämpfung auch bei schlechtem Wetter innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt. Wenn der Gewinn der Empfangsantenne weniger als 30 dBi beträgt, kann sie bei stürmischem Wetter möglicherweise kein klares Fernsehsignal empfangen.
Für digitale Heim-TV-Empfangsantennen liegt der Gewinn zwischen 15 dBi und 25 dBi. Eine digitale TV-Empfangsantenne zum Marktpreis von 200 Yuan mit 20 dBi Gewinn kann TV-Signale in zig Kilometern Entfernung empfangen. Der Preis für eine Antenne mit 25 dBi Gewinn liegt bei etwa 500 Yuan und ist für Nutzer in abgelegenen Gebieten geeignet.
Rundstrahlantennen, die einen weiten Bereich abdecken, haben gewöhnlich einen niedrigen Gewinn; ein typischer Rundstrahlantennengewinn liegt bei 2 dBi bis 5 dBi, was für Szenarien geeignet ist, die eine gleichzeitige Signalabdeckung in mehrere Richtungen erfordern, wie zum Beispiel Heim-Wi-Fi-Router. Eine Wi-Fi-Antenne mit 2 dBi Gewinn kann einen Radius von etwa 30 Metern abdecken, während eine Antenne mit 5 dBi Gewinn die Reichweite auf 50 Meter oder mehr erweitern kann. Viele Hochleistungsrouter verwenden Antennen mit 5 dBi bis 9 dBi Gewinn, um die Abdeckung des gesamten Hauses und Gartens zu gewährleisten.
Richtantennen vergrößern die Reichweite, indem sie die Signale in eine Richtung bündeln. Am Beispiel der gängigen Parabol-Richtantenne: Ihr Gewinn liegt normalerweise über 20 dBi, und sie ist in der Lage, eine Entfernung von mehreren Kilometern oder mehr abzudecken. Einige Richtantennen, die für die Wi-Fi-Übertragung über lange Strecken verwendet werden, können bis zu 24 dBi erreichen, was eine Signalübertragung über mehrere Kilometer in freiem Gelände ermöglicht. In der Telekommunikation oder Funkkommunikation sind Hochgewinn-Richtantennen besonders verbreitet. Antennen für die Militär- oder Weltraumkommunikation können beispielsweise Gewinne von 30 dBi bis 40 dBi erreichen und Signale effektiv über Hunderte von Kilometern übertragen, wodurch sichergestellt wird, dass auch in extremen Umgebungen eine starke Signalrückmeldung empfangen werden kann.
