1 00:00:00,360 --> 00:00:01,870 - [Erzähler] Antennen sind 2 00:00:01,870 --> 00:00:03,650 im Bereich der Telekommunikation weit verbreitet 3 00:00:03,650 --> 00:00:05,810 und wir haben 4 00:00:05,810 --> 00:00:07,480 in dieser Videoserie bereits viele Anwendungen dafür gesehen. 5 00:00:07,480 --> 00:00:10,050 Antennen empfangen eine elektromagnetische Welle 6 00:00:10,050 --> 00:00:12,350 und wandeln sie in ein elektrisches Signal um, 7 00:00:12,350 --> 00:00:13,860 oder sie empfangen ein elektrisches Signal 8 00:00:13,860 --> 00:00:16,283 und strahlen es als elektromagnetische Welle aus. 9 00:00:17,760 --> 00:00:20,100 In diesem Video werfen wir einen Blick auf die Wissenschaft 10 00:00:20,100 --> 00:00:21,233 hinter Antennen. 11 00:00:25,010 --> 00:00:26,620 Wir haben ein elektrisches Signal. 12 00:00:26,620 --> 00:00:29,810 Wie wandeln wir es in eine elektromagnetische Welle um? 13 00:00:29,810 --> 00:00:32,270 Möglicherweise haben Sie eine einfache Antwort im Kopf. 14 00:00:32,270 --> 00:00:34,540 Das heißt, Sie verwenden einen geschlossenen Leiter 15 00:00:34,540 --> 00:00:35,810 und können mithilfe des Prinzips 16 00:00:35,810 --> 00:00:37,440 der elektromagnetischen Induktion 17 00:00:37,440 --> 00:00:40,277 ein schwankendes Magnetfeld 18 00:00:40,277 --> 00:00:42,260 und ein elektrisches Feld um ihn herum erzeugen. 19 00:00:42,260 --> 00:00:44,980 Dieses schwankende Feld um die Quelle 20 00:00:44,980 --> 00:00:48,010 ist jedoch für die Signalübertragung nutzlos. 21 00:00:48,010 --> 00:00:50,740 Das elektromagnetische Feld breitet sich hier nicht aus, sondern 22 00:00:50,740 --> 00:00:53,243 schwankt lediglich um die Quelle herum. 23 00:00:54,230 --> 00:00:56,640 In einer Antenne müssen die elektromagnetischen Wellen 24 00:00:56,640 --> 00:00:58,570 von der Quelle getrennt werden 25 00:00:58,570 --> 00:00:59,870 und sich ausbreiten. 26 00:01:02,150 --> 00:01:04,440 Bevor wir uns ansehen, wie eine Antenne hergestellt wird, 27 00:01:04,440 --> 00:01:07,513 wollen wir die Physik hinter der Wellentrennung verstehen. 28 00:01:08,480 --> 00:01:11,160 Betrachten Sie eine positive und eine negative Ladung, die in 29 00:01:11,160 --> 00:01:13,189 einem Abstand voneinander angeordnet sind. 30 00:01:13,190 --> 00:01:15,650 Diese Anordnung wird als Dipol bezeichnet 31 00:01:15,650 --> 00:01:18,350 und erzeugt offensichtlich ein elektrisches Feld, wie gezeigt. 32 00:01:19,830 --> 00:01:23,360 Nehmen wir nun an, dass diese Ladungen wie gezeigt oszillieren. 33 00:01:23,360 --> 00:01:24,880 In der Mitte ihrer Bahn 34 00:01:24,880 --> 00:01:26,960 ist die Geschwindigkeit maximal 35 00:01:26,960 --> 00:01:30,320 und an den Enden ihrer Bahnen ist die Geschwindigkeit Null. Aufgrund dieser Geschwindigkeitsschwankung 36 00:01:30,320 --> 00:01:33,510 erfahren die geladenen Teilchen eine kontinuierliche Beschleunigung 37 00:01:33,510 --> 00:01:36,980 und Verzögerung . 38 00:01:36,980 --> 00:01:38,560 Die Herausforderung besteht nun darin, herauszufinden, 39 00:01:38,560 --> 00:01:41,720 wie sich das elektrische Feld aufgrund dieser Bewegung ändert. 40 00:01:41,720 --> 00:01:44,283 Konzentrieren wir uns auf nur eine elektrische Feldlinie. 41 00:01:45,220 --> 00:01:47,260 Die zum Zeitpunkt Null gebildete Wellenfront 42 00:01:47,260 --> 00:01:49,600 dehnt sich aus und verformt sich wie gezeigt 43 00:01:49,600 --> 00:01:51,363 nach einem Achtel einer Zeitspanne. 44 00:01:53,130 --> 00:01:54,260 Das ist überraschend. 45 00:01:54,260 --> 00:01:56,990 Sie hätten vielleicht ein einfaches elektrisches Feld erwartet, wie es 46 00:01:56,990 --> 00:01:58,073 an dieser Stelle gezeigt wird. 47 00:01:58,920 --> 00:02:00,580 Warum hat sich das elektrische Feld gedehnt 48 00:02:00,580 --> 00:02:02,550 und ein solches Feld gebildet? 49 00:02:02,550 --> 00:02:04,110 Dies liegt daran, dass die beschleunigenden 50 00:02:04,110 --> 00:02:07,020 oder abbremsenden Ladungen ein elektrisches Feld 51 00:02:07,020 --> 00:02:09,029 mit gewissen Memory-Effekten erzeugen. 52 00:02:09,030 --> 00:02:11,290 Das alte elektrische Feld passt sich nicht leicht 53 00:02:11,290 --> 00:02:12,920 an den neuen Zustand an. 54 00:02:12,920 --> 00:02:15,720 Wir müssen einige Zeit aufwenden, um diesen Memory-Effekt 55 00:02:15,720 --> 00:02:19,340 des elektrischen Feldes oder die Knickerzeugung beschleunigender 56 00:02:19,340 --> 00:02:21,460 oder verlangsamender Ladungen zu verstehen. Auf 57 00:02:21,460 --> 00:02:24,150 dieses interessante Thema gehen wir 58 00:02:24,150 --> 00:02:25,223 in einem separaten Video näher ein. 59 00:02:26,210 --> 00:02:29,050 Wenn wir unsere Analyse auf die gleiche Weise fortsetzen, 60 00:02:29,050 --> 00:02:31,880 können wir erkennen, dass sich die Wellenfrontenden in einem Viertel eines Zeitraums 61 00:02:31,880 --> 00:02:34,860 an einem einzigen Punkt treffen. 62 00:02:34,860 --> 00:02:36,440 Danach erfolgt die Trennung 63 00:02:36,440 --> 00:02:38,513 und Ausbreitung der Wellenfront. 64 00:02:39,700 --> 00:02:41,850 Bitte beachten Sie, dass dieses variierende elektrische Feld 65 00:02:41,850 --> 00:02:44,690 automatisch ein variierendes Magnetfeld 66 00:02:44,690 --> 00:02:45,883 senkrecht dazu erzeugt. 67 00:02:46,930 --> 00:02:49,240 Wenn Sie die Variation der elektrischen Feldstärke 68 00:02:49,240 --> 00:02:52,060 mit der Entfernung zeichnen, können Sie erkennen, dass die Wellenausbreitung 69 00:02:52,060 --> 00:02:54,390 sinusförmiger Natur ist. 70 00:02:54,390 --> 00:02:55,560 Es ist interessant festzustellen, 71 00:02:55,560 --> 00:02:58,300 dass die Wellenlänge der so erzeugten Ausbreitung 72 00:02:58,300 --> 00:03:01,560 genau das Doppelte der Länge des Dipols beträgt. 73 00:03:01,560 --> 00:03:03,810 Wir werden später auf diesen Punkt zurückkommen. 74 00:03:03,810 --> 00:03:07,020 Das ist genau das, was wir in einer Antenne brauchen. 75 00:03:07,020 --> 00:03:09,330 Kurz gesagt, wir können eine Antenne bauen, 76 00:03:09,330 --> 00:03:12,200 wenn wir eine Anordnung zum Oszillieren der positiven 77 00:03:12,200 --> 00:03:14,170 und negativen Ladungen schaffen können. 78 00:03:14,170 --> 00:03:17,130 In der Praxis ist die Herstellung einer solchen Schwingladung 79 00:03:17,130 --> 00:03:18,690 sehr einfach. 80 00:03:18,690 --> 00:03:21,273 Nehmen Sie einen leitenden Stab mit einer Krümmung in der Mitte 81 00:03:22,220 --> 00:03:24,730 und legen Sie in der Mitte ein Spannungssignal an. 82 00:03:24,730 --> 00:03:27,000 Angenommen, es handelt sich um das von Ihnen angelegte Signal, 83 00:03:27,000 --> 00:03:29,320 ein zeitlich veränderliches Spannungssignal. 84 00:03:29,320 --> 00:03:31,670 Betrachten Sie den Fall zum Zeitpunkt Null. 85 00:03:31,670 --> 00:03:33,500 Durch die Wirkung der Spannung 86 00:03:33,500 --> 00:03:36,530 werden die Elektronen von der rechten Seite des Dipols verdrängt 87 00:03:36,530 --> 00:03:38,593 und sammeln sich auf der linken Seite an. 88 00:03:40,780 --> 00:03:43,430 Das bedeutet, dass das andere Ende, das Elektronen verloren hat, 89 00:03:43,430 --> 00:03:45,893 automatisch positiv geladen wird. 90 00:03:46,800 --> 00:03:48,829 Diese Anordnung hat den gleichen Effekt 91 00:03:48,830 --> 00:03:51,060 wie der vorherige Dipolladungsfall erzeugt, 92 00:03:51,060 --> 00:03:55,200 nämlich positive und negative Ladungen am Ende eines Drahtes. 93 00:03:55,200 --> 00:03:57,450 Mit der zeitlichen Änderung der Spannung pendeln 94 00:03:57,450 --> 00:04:00,673 die positiven und negativen Ladungen hin und her. 95 00:04:01,650 --> 00:04:05,100 Auch die einfache Dipolantenne erzeugt das gleiche Phänomen, das 96 00:04:05,100 --> 00:04:08,623 wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, und es kommt zu einer Wellenausbreitung. 97 00:04:09,950 --> 00:04:13,253 Wir haben nun gesehen, wie die Antenne als Sender funktioniert. 98 00:04:14,270 --> 00:04:16,170 Die Frequenz des übertragenen Signals 99 00:04:16,170 --> 00:04:17,860 entspricht der Frequenz 100 00:04:17,860 --> 00:04:19,730 des angelegten Spannungssignals. 101 00:04:19,730 --> 00:04:22,550 Da die Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, 102 00:04:22,550 --> 00:04:25,450 können wir die Wellenlänge der Ausbreitung leicht berechnen. 103 00:04:26,930 --> 00:04:28,350 Für eine perfekte Übertragung 104 00:04:28,350 --> 00:04:31,363 sollte die Länge der Antenne die Hälfte der Wellenlänge betragen. 105 00:04:33,930 --> 00:04:36,330 Der Betrieb der Antenne ist umkehrbar 106 00:04:36,330 --> 00:04:37,820 und sie kann als Empfänger fungieren, 107 00:04:37,820 --> 00:04:40,510 wenn ein sich ausbreitendes elektromagnetisches Feld auf sie trifft. 108 00:04:40,510 --> 00:04:43,520 Schauen wir uns dieses Phänomen im Detail an. 109 00:04:43,520 --> 00:04:47,520 Nehmen Sie dieselbe Antenne noch einmal und legen Sie ein elektrisches Feld an. 110 00:04:47,520 --> 00:04:49,310 In diesem Moment sammeln sich die Elektronen 111 00:04:49,310 --> 00:04:51,350 an einem Ende des Stabes an. 112 00:04:51,350 --> 00:04:54,100 Dies ist dasselbe wie ein elektrischer Dipol. 113 00:04:54,100 --> 00:04:56,330 Wenn das angelegte elektrische Feld variiert, sammeln sich 114 00:04:56,330 --> 00:04:58,010 die positiven und negativen Ladungen 115 00:04:58,010 --> 00:05:00,019 an den anderen Enden an. Durch 116 00:05:00,020 --> 00:05:01,970 die unterschiedliche Ladungsansammlung 117 00:05:04,290 --> 00:05:06,730 wird in der Mitte der Antenne ein unterschiedliches elektrisches Spannungssignal erzeugt. 118 00:05:06,730 --> 00:05:08,670 Dieses Spannungssignal wird ausgegeben, 119 00:05:08,670 --> 00:05:11,320 wenn die Antenne als Empfänger fungiert. 120 00:05:11,320 --> 00:05:13,300 Die Frequenz des Ausgangsspannungssignals 121 00:05:13,300 --> 00:05:16,563 ist dieselbe wie die Frequenz der empfangenden EM-Welle. 122 00:05:17,500 --> 00:05:20,010 Aus der Konfiguration des elektrischen Feldes geht klar hervor, 123 00:05:20,010 --> 00:05:21,610 dass für einen perfekten Empfang 124 00:05:21,610 --> 00:05:25,750 die Größe der Antenne die Hälfte der Wellenlänge betragen sollte. 125 00:05:25,750 --> 00:05:27,020 In all diesen Diskussionen 126 00:05:27,020 --> 00:05:29,743 haben wir gesehen, dass es sich bei der Antenne um einen offenen Stromkreis handelt. 127 00:05:30,740 --> 00:05:33,963 Schauen wir uns nun einige praktische Antennen und ihre Funktionsweise an. 128 00:05:35,290 --> 00:05:38,943 Früher wurden für den Fernsehempfang Dipolantennen eingesetzt. 129 00:05:40,490 --> 00:05:44,290 Der farbige Balken fungiert als Dipol und empfängt das Signal. 130 00:05:45,800 --> 00:05:47,820 Bei dieser Art von Antenne werden außerdem ein Reflektor und ein Direktor benötigt, 131 00:05:47,820 --> 00:05:50,210 um das Signal auf den Dipol zu fokussieren. 132 00:05:50,210 --> 00:05:54,350 Diese vollständige Struktur wird als Yagi-Uda-Antenne bezeichnet. 133 00:05:54,350 --> 00:05:57,110 Die Dipolantenne wandelte das empfangene Signal 134 00:05:57,110 --> 00:06:00,070 in elektrische Signale um und diese elektrischen Signale 135 00:06:00,070 --> 00:06:03,003 wurden über ein Koaxialkabel zum Fernsehgerät übertragen. 136 00:06:05,630 --> 00:06:08,670 Heutzutage sind wir auf Parabolantennen umgestiegen. 137 00:06:08,670 --> 00:06:10,780 Diese bestehen aus zwei Hauptkomponenten, 138 00:06:10,780 --> 00:06:12,530 einem parabolförmigen Reflektor 139 00:06:12,530 --> 00:06:14,743 und dem rauscharmen Block-Abwärtskonverter. 140 00:06:16,150 --> 00:06:19,140 Die Parabolschüssel empfängt elektromagnetische Signale 141 00:06:19,140 --> 00:06:23,280 vom Satelliten und fokussiert sie auf den LNBF. 142 00:06:23,280 --> 00:06:25,800 Die Form der Parabel ist sehr spezifisch 143 00:06:25,800 --> 00:06:27,203 und genau gestaltet. 144 00:06:28,410 --> 00:06:31,372 Der LNBF besteht aus einem Feedhorn, 145 00:06:31,372 --> 00:06:34,770 einem Wellenleiter, einer Leiterplatte und einer Sonde. 146 00:06:34,770 --> 00:06:37,760 In dieser Animation können Sie sehen, wie die eingehenden Signale 147 00:06:37,760 --> 00:06:42,430 über das Feedhorn und den Wellenleiter auf die Sonde fokussiert werden . 148 00:06:42,430 --> 00:06:44,470 An der Sonde wird Spannung induziert, 149 00:06:44,470 --> 00:06:47,130 wie wir im einfachen Dipolfall gesehen haben. 150 00:06:47,130 --> 00:06:50,580 Das so erzeugte Spannungssignal wird einer Leiterplatte 151 00:06:50,580 --> 00:06:53,250 zur Signalverarbeitung wie Filterung, 152 00:06:53,250 --> 00:06:56,880 Umwandlung von hoher in niedrige Frequenz und Verstärkung zugeführt. 153 00:06:56,880 --> 00:06:59,520 Nach der Signalverarbeitung werden diese elektrischen Signale 154 00:07:01,340 --> 00:07:02,713 über ein Koaxialkabel zum Fernsehgerät übertragen. 155 00:07:04,790 --> 00:07:06,440 Wenn Sie einen LNB öffnen, 156 00:07:06,440 --> 00:07:09,510 finden Sie höchstwahrscheinlich zwei Sonden statt einer. 157 00:07:09,510 --> 00:07:12,190 Die zweite Sonde steht senkrecht zur ersten. Durch 158 00:07:12,190 --> 00:07:14,930 die Anordnung mit zwei Sonden kann das verfügbare Spektrum 159 00:07:14,930 --> 00:07:16,230 doppelt genutzt werden, 160 00:07:16,230 --> 00:07:18,340 indem die Wellen entweder mit horizontaler 161 00:07:18,340 --> 00:07:20,710 oder vertikaler Polarisation gesendet werden. 162 00:07:20,710 --> 00:07:23,700 Eine Sonde erkennt das horizontal polarisierte Signal 163 00:07:23,700 --> 00:07:26,050 und die andere das vertikal polarisierte Signal. 164 00:07:27,490 --> 00:07:28,790 Das Mobiltelefon in Ihrer Hand 165 00:07:28,790 --> 00:07:31,150 verwendet einen völlig anderen Antennentyp, 166 00:07:31,150 --> 00:07:33,200 eine sogenannte Patch-Antenne. 167 00:07:33,200 --> 00:07:36,440 Eine Patch-Antenne besteht aus einem metallischen Patch oder Streifen, der 168 00:07:36,440 --> 00:07:37,950 auf einer Grundplatte platziert wird und zwischen dem sich 169 00:07:37,950 --> 00:07:40,950 ein Stück dielektrisches Material befindet. 170 00:07:40,950 --> 00:07:44,530 Dabei fungiert der Metallfleck als strahlendes Element. 171 00:07:44,530 --> 00:07:45,890 Die Länge des Metallpflasters 172 00:07:45,890 --> 00:07:47,490 sollte 173 00:07:47,490 --> 00:07:49,803 für eine ordnungsgemäße Übertragung und einen ordnungsgemäßen Empfang die Hälfte der Wellenlänge betragen. 174 00:07:50,670 --> 00:07:52,720 Bitte beachten Sie, dass die hier erläuterte Beschreibung der Patch-Antenne 175 00:07:52,720 --> 00:07:54,873 sehr einfach ist. 176 00:07:56,410 --> 00:07:59,520 Bitte zeigen Sie Ihre Unterstützung, indem Sie auf die Schaltfläche „Unterstützung“ klicken. 177 00:07:59,520 --> 00:08:01,370 Vielen Dank, dass Sie sich das Video angesehen haben.