BERLIN-BRANDENBURG-AMATEURFUNKMAGAZIN 23/10 VOM 04.06.2010

Redaktion: Peter, DO1NIC; Manuel, DL5AFN, und Christian, DL7APN

ÜBERSICHT:

• Technikgeschichte zum Anfassen oder Anhören
• Mikrowellen
• Schlitzantenne
• Hornstrahler
• Terminübersicht für die Woche vom 07.–13.06.

Technikgeschichte zum Anfassen oder Anhören

10. Juni, 17:30 Uhr, Industriesalon Berlin-Schöneweide

Der Industriesalon Schöneweide lädt ein zum 3. Vortrag in der Reihe „made in Schöneweide – Technikgeschichte(n) aus dem WF“. Am Donnerstag, dem 10.06. um 17:30 Uhr wird FA-Autor Dipl.-Ing. Joachim Kullmann darüber berichten, was das Werk für Fernsehelektronik (WF) mit der Entwicklung von Mikrowellentechnik zu tun hatte.

Einige Stichpunkte:

- Magnetrons für Radartechnik und Mikrowellenerwärmung aus dem WF;
- erster Mikrowellenherd der DDR 1968;
- warum konnte Baron Prof. von Ardenne auch nicht helfen?
- Exportträume für den bulgarischen Sonnenstrand;
- wie der Haushaltsherd für die sozialistische Hausfrau scheiterte.

Dipl.-Ing. Joachim Kullmann war seit 1960 in der Abteilung Anwendungstechnik des WF als Labor-Gruppenleiter tätig. Im Anschluss an den Vortrag ist ein Gedankenaustausch in geselliger Runde im Industriesalon möglich.

Adresse:
Industriesalon Schöneweide, Forum für Industrie-Technik-Kultur
Reinbeckstr. 9
12459 Berlin-Oberschöneweide
Tel.: (0 30) 53 00 70 42
Internet: www.industriesalon.de

Quelle: www.funkamateur.de

Mikrowellen

Der Begriff Mikrowellen (engl.: microwaves) fasst die Dezi-, Zenti- und Millimeterwellen zusammen. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, deren Wellenlänge zwischen 1 m und 1 mm liegt, was einem Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz entspricht.

Einsatzgebiete

Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd sowie in vielen technischen Anwendungen wie Plasmaanlagen, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenfernsehen, WLAN) oder Sensorsystemen (z. B. beim Mikrowellen-Resonatorverfahren) zum Einsatz. An einer Verwendung als Strahlenwaffe, z. B. der ADS, wird gearbeitet. Eine weitere Anwendung finden Mikrowellen als Leuchtmittel (Schwefelkugellampe).

Das Herzstück der Beschleunigungsstrecken für Elektronen in Teilchenbeschleunigern sind Hohlraumresonatoren für Mikrowellen. In deren Innerem beschleunigen die elektrischen Felder von stehenden elektromagnetischen Wellen die geladenen Teilchen. Darin erreicht man inzwischen elektrische Feldstärken von mehr als 40 Millionen Volt pro Meter. Die Länge einer einzelnen Zelle ist so gewählt, dass sich das elektrische Feld der Welle gerade umkehrt, wenn ein Teilchen, das fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, in die nächste Zelle eintritt.

Für andere technische Anwendungen sind unter anderem Frequenzen bei 433 MHz, 2,45 GHz und 5,8 GHz freigegeben; der bekannte Mikrowellenherd arbeitet bei 2,45 GHz, WLAN bei 2,45 GHz und 5,8 GHz. Bei 433 MHz arbeiten Geräte wie z. B. Babyphone und Funk-Thermometer. Diese Frequenzen sind als ISM-Band für die weitgehend freie Nutzung freigegeben.

Eigenschaften

Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Dipol- und Multipolschwingungen von Molekülen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. Die Erwärmung von Wasser beruht nicht auf einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern die Wassermoleküle als Dipole versuchen sich laufend nach dem elektromagnetischen Wechselfeld auszurichten, wobei als dielektrischer Verlust Wärme entsteht. Zum Vergleich: Die niedrigste Resonanzfrequenz des freien Wassermoleküls liegt erst bei 22,23508 GHz, was deutlich höher ist als die in Mikrowellenherden verwendete Frequenz. Bei der Frequenz von 2,45 GHz eines üblichen Mikrowellenherds erzielt man einen guten Kompromiss zwischen Absorption und Eindringtiefe in das Gargut. Der Dielektrische Verlustfaktor, der spezifische elektrische Widerstand sowie magnetische Verluste bestimmen die frequenzabhängige Absorption der Mikrowellen an oder in Stoffen und somit deren Erwärmung.

Bei Mikrowellen handelt es sich um elektromagnetische Wellen und sie können daher wie Licht reflektiert und gebrochen werden und auch interferieren. Sie werden von Metallen und elektrischen Leitern reflektiert und nur wenig absorbiert. Geeignete Isolatoren (z. B. einige Thermoplaste, insbesondere PTFE (Teflon)); Glas, viele Keramiken und Glimmer sind jedoch durchlässig (transparent) für diese Strahlung und absorbieren sie nur wenig – daher können z. B. auch optisch undurchsichtige Kunststofflinsen zur Bündelung von Mikrowellen eingesetzt werden.

Wechselströme oberhalb einer Frequenz von etwa 1 GHz können zunehmend schlechter in einem elektrischen Leiter (z. B. Koaxialkabel) geführt werden, da die Leitungsverluste und der Skineffekt mit der Frequenz zunehmen. Daher werden Mikrowellen oft in verlustärmeren Hohlleitern geführt.

Mikrowellen sehr hoher Leistung werden durch Laufzeitröhren (Klystrons oder Magnetrons) erzeugt. In Mikrowellenherden werden Magnetrons verwendet (siehe auch: Backward-wave Oszillator).

Mikrowellen werden sehr gut durch Ferrite absorbiert. Manche militärischen Flugzeuge werden deshalb mit einer entsprechenden Beschichtung versehen (Tarnkappentechnik), um sie vor der Ortung durch Radar zu schützen.

Quelle: www.wikipedia.de

Schlitzantenne

Eine Schlitzantenne ist eine spezielle Art von Antenne, die einem ungewöhnlichen Prinzip folgt: Gewöhnlich werden Antennen so konstruiert, dass eine metallische Struktur im Raum von Luft (als Nichtleiter) umgeben ist und so die Wellen abstrahlt. Der Schlitzstrahler hingegen ist eine Unterbrechung einer metallischen Struktur (z. B. einer Metallplatte, eines Hohlleiters usw.), die für die Abstrahlung von Wellen sorgt. Oft folgt diese Unterbrechung dem Prinzip des Dipols, kann aber auch theoretisch jede andere Geometrie besitzen.

Ein Dipol besteht aus zwei gleichlangen Leitern in einem Dielektrikum (in der Regel Luft). Im Umkehrfall kann man diese beiden Leiter auch als Negativ in einen Flächenleiter einschneiden. Physikalisch liegt hier das Babinetsche Prinzip zugrunde, das eine Dualität der Feldausbreitung in Metallen und Dielektrika beschreibt, wenn sie ihre Strukturen gegenseitig stören. Das Babinetsche Prinzip kommt ursprünglich aus der Optik, kann aber auf die Antennentechnik übertragen werden, da es keine Einschränkung bezüglich des Frequenzbereiches macht und es sich bei Licht wie bei Antennen um Vorgänge im Zusammenhang mit elektromagnetischen Wellen handelt.

Man verwendet Schlitzantennen vor allem für hohe Frequenzen, bei denen sich Dipole schlecht herstellen lassen oder in speziellen Anwendungen. So sind Schlitzantennen im Flugzeugbau besonders geeignet, weil sie nicht über die Außenhülle eines Flugzeugs hinausragen. In ein Blech lassen sich so ganze Gruppen von parallelgeschalteten Dipolen einbringen. Die Einspeisepunkte und Bedingungen entsprechen denen normaler Dipole.

Eine andere Bauform basiert auf einem Wellenleiter, in den Schlitze im Abstand der halben Wellenlänge eingefräst sind. Bei einer Wellenlänge von etwa 12 cm erreicht eine Antenne mit 16 Elementen fast eine Länge von 2 m. Der Antennengewinn von einem Array mit 16 Strahlern beträgt 12–14 dBd. Die Schlitze müssen so angebracht werden, dass sie das sich im Hohlleiter ausbreitende Feld möglichst stark stören. Durch diese Störung tritt das Feld aus dem Hohlleiter heraus, löst sich von diesem und breitet sich in den Raum aus.

Die Radarantennen in der Schifffahrt sind größtenteils ebenfalls Wellenleiter-Schlitzantennen, erkennbar an der geraden Bauform. Der Antennengewinn ist zwar geringer als bei einer Parabolantenne, dafür ist die Herstellung preiswerter.

Quelle: www.wikipedia.de

Hornstrahler

Ein Hornstrahler (engl.: horn antenna) ist eine Bauform einer Antenne für Mikrowellen und besteht aus einer mehr oder weniger an die Form eines Exponentialtrichters angenäherten Metallfläche, die meist in einen Hohlleiter mündet.

Hornstrahler finden Verwendung als eigenständiger Strahler oder zur Speisung im Brennpunkt von Parabolantennen (Radar-Antennen, Radioteleskope, Richtfunk-Antennen, Muschelantennen).

Verschiedene Bauformen führten auch zu Bezeichnungen wie Pyramidenhorn und Kegelhorn.

Prinzip

Prinzipiell kann der Hohlleiter, der die Sendeleistung zur Antenne leitet, von seinem offenen Ende die elektromagnetische Welle in den freien Raum abstrahlen. Da aber der Wellenwiderstand des freien Raums einen anderen Wert hat als der des Hohlleiters, werden an dieser Stelle durch die Fehlanpassung unerwünschte Reflexionen auftreten. Daher weitet man die mechanischen Abmessungen des Hohlleiters an der Stelle des Strahlungsaustritts der elektromagnetischen Welle auf, um einen allmählichen Übergang zu erreichen. Diese Konstruktion nennt man wegen der hornartigen Form Hornstrahler.

Bei Mikrowellen-Antennen ist die Kombination eines Primärstrahlers und eines Sekundärreflektors üblich, wobei als Primärstrahler im Brennpunkt eines metallischen Parabolspiegels häufig ein Hornstrahler (Feed) verwendet wird.

Eigenschaften

Hornstrahler haben eine recht gute Richtcharakteristik. Je länger die geometrischen Abmessungen des Hornstrahlers sind, desto besser ist die Richtcharakteristik und folglich der Gewinn. Eine Wand des Horns kann als Abschnitt eines Paraboloids geformt sein; der speisende Hohlleiter trifft dabei seitlich auf das Horn. Mit dieser Form sind besonders hohe Richtwirkungen und Vor-Rück-Verhältnisse zu erzielen. Diese Form kam früher bei Radioteleskopen und als Richtfunk-Antenne zum Einsatz, es wurden Abmessungen mit mehreren Metern Breite realisiert.

Bei heutigen Anlagen zur Satellitenkommunikation werden zur Speisung von Parabolantennen meist Rillenhornstrahler eingesetzt. Diese ermöglichen eine geringere Baulänge und Breite. Die Größe von Hornstrahlern ist frequenzabhängig - je höher die abzustrahlende bzw. zu empfangene Frequenz, desto kleiner können Hornstrahler und auch Rillenhornstrahler gebaut werden. Die Abmessungen reichen von etwa nur 20 mm bis 100 mm Durchmesser zur Speisung von Parabolantennen bis hin zu mehreren Metern Durchmesser bei Paraboloid-Hornantennen.

Steghornstrahler

Eine besondere Bauform ist der Steghornstrahler (engl.: double-ridged waveguide horn). Dabei befinden sich in der Mitte der oberen und unteren Breitseite des Hornstrahlers sich exponentiell nach außen öffnende metallische Stege, die eine deutliche Vergrößerung der Bandbreite der Antenne bewirken. Typisch wird so eine relative Bandbreite von mindestens 6 erreicht, wodurch der Hornstrahler auch für die Abstrahlung von Impulsen geeignet wird. Eine planare Variante des Steghornstrahlers stellt die Vivaldi-Antenne dar.

Quelle: www.wikipedia.de

Terminübersicht für die Woche vom 07.–13.06.

Ende des BB-Amateurfunkmagazins 23/10 vom 04.06.2010

Archiv-Bearbeitung: DC7XJ

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