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Hoch-und Höchstfrequenztechnik
Praktikumsversuch
der Wahlpflichtvorlesung
Antennen und Ausbreitung
Version 3.0 von 1.11.2014
Erstellt von Prof. Heuermann-/ M. Eng. Guennoun
Hoch-und Höchstfrequenztechnik
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 2
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\copyright \ by Prof. H. Heuermann 2006
Printed in Germany
Hoch-und Höchstfrequenztechnik
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 3
Inhalt
Allgemeines und Einleitung .................................................................................................................... 5
Experiment 1: Freiraumdämpfung ........................................................................................................ 8
1.1 Grundlagen und Einführung ........................................................................................................ 8
1.2 Versuchsaufbau ........................................................................................................................... 9
1.3 Versuchsdurchführung .............................................................................................................. 10
1.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 11
Experiment 2: Polarisation ................................................................................................................... 13
2.1 Grundlagen und Einführung ..................................................................................................... 13
2.2 Versuchsaufbau ........................................................................................................................ 15
2.3 Versuchsdurchführung .............................................................................................................. 16
2.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 17
Experiment 3: Reflexion ...................................................................................................................... 20
3.1 Grundlagen und Einführung ..................................................................................................... 20
3.2 Versuchsaufbau ......................................................................................................................... 20
3.3 Versuchsdurchführung .............................................................................................................. 21
3.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 22
Experiment 4: Stehende Wellen – Messung von Wellenlängen .................................................................................................................................. 24
4.1 Grundlagen und Einführung ..................................................................................................... 24
4.2 Versuchsaufbau ........................................................................................................................ 24
4.3 Versuchsdurchführung ............................................................................................................. 25
4.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 26
Experiment 5: Brechung ....................................................................................................................... 27
5.1 Grundlagen der Brechung......................................................................................................... 27
5.2 Versuchsaufbau ......................................................................................................................... 28
5.3 Versuchsdurchführung ............................................................................................................. 28
5.3 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung .............................................................................. 29
Experiment 6: Interferenz des doppelten Schlitzes ............................................................................. 31
6.1 Grundlagen ............................................................................................................................... 31
6.2 Versuchsaufbau ......................................................................................................................... 32
6.3 Versuchsdurchführung .............................................................................................................. 32
6.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 33
Experiment 7: Lloydspiegel ................................................................................................................ 35
7.1 Grundlagen und Einführung ..................................................................................................... 35
7.2 Versuchsaufbau ......................................................................................................................... 36
7.3 Versuchsdurchführung ............................................................................................................. 37
7.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 38
Experiment 8: Fabry-Perot Interferometer ........................................................................................... 39
Hoch-und Höchstfrequenztechnik
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 4
8.1 Grundlagen und Einführung ..................................................................................................... 39
8.2 Versuchsaufbau ........................................................................................................................ 39
8.3 Versuchsdurchführung ............................................................................................................. 40
8.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 41
Experiment 9: Michelson Interferometer .............................................................................................. 42
9.1 Grundlagen und Einführung ..................................................................................................... 42
9.2 Versuchsaufbau ........................................................................................................................ 43
9.3 Versuchsdurchführung ............................................................................................................. 43
9.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................. 44
Experiment 10: Lichtwellenleiter ........................................................................................................ 45
10.1 Grundlagen und Einführung ................................................................................................... 45
10.2 Versuchsaufbau ...................................................................................................................... 45
10.3 Versuchsdurchführung ........................................................................................................... 46
10.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ............................................................................ 46
Experiment 11: Brewsterwinkel ........................................................................................................... 47
11.1 Grundlagen und Einführung ................................................................................................... 47
11.2 Versuchsaufbau ......................................................................................................................... 47
11.3 Versuchsdurchführung ........................................................................................................... 48
11.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung .............................................................................. 49
Experiment 12: Bragg Beugung ............................................................................................................ 50
12.1 Grundlagen und Einführung ................................................................................................... 50
12.2 Versuchsaufbau ...................................................................................................................... 50
12.3 Versuchsdurchführung ........................................................................................................... 51
12.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung ........................................................................... 52
Praktikum Antennen und Ausbreitung Einleitung
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 5
Allgemeines und Einleitung
Im Praktikum Antennen und Ausbreitung lernen Sie die wichtigsten optischen Phänomene an
Mikrowellenfrequenzen kennen. Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit einer Wel-
lenlänge von ca. 1 mm bis 10 cm. Der Frequenzbereich reicht damit von ca. 3 GHz bis 300
GHz.
Mikrowellen haben eine breite Anwendung. Die wichtigsten Anwendungen sind:
•Nachrichtentechnik (Richtfunk, Satellitenkommunikation, TV-Satelliten, WLAN)
•Radar (Verkehrsüberwachung, Wetterbeobachtung, Astronomie)
•Wärmeerzeugung (Mikrowellenofen, Mikrowellentherapie in der Medizin)
•Spektroskopie (Absorptionsspektroskopie an Molekül-Rotationsübergängen)
Ein der wichtigsten optischen Phänomene ist die sogenannte optische Interferometrie. Die ist
einsetzbar zur hochgenauen Streckenvermessung bzw. der Messung von der Wellenlänge. Die
Abbildung A.1 zeigt das Anbaugerät von einem Michelson Interferometer.
Abbildung A.1: Michelson Interferometer
(1) Sender mit Gunndiode (2) Empfänger mit Schottkydiode
(3) Winkelmesser (4) Fester Armzusammenbau
(5) Halter (6) Reflektor
Praktikum Antennen und Ausbreitung Einleitung
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 6
In diesem Praktikum wird ein Gunndiodesender verwendet (siehe Abbildung A.2). Dieser
oszilliert in einem 10.525 GHz Resonanzsystem und stellt 15 mW (ca. 11.5 dBm) linear
polarisierte Mikrowellenleistung bei einer Wellenlänge von 2.85 cm zur Verfügung.
Abbildung A.2: Mikrowellensender mit der Stromversorgung
Der Gunn-Effekt wurde 1963 von J.B. Gunn entdeckt. Legt man an einen n-dotierten Halb-
leiter eine konstante, relativ hohe elektrische Spannung an, werden dadurch statistische
Stromschwankungen hervorgerufen, die bei sehr kurzem Kristall (ca. 25 µm) in zusammen-
hängende Schwingungen übergehen. Die Frequenz ist durch die Länge des Kristalls festgelegt
und liegt im Mikrowellenbereich. Der Gunn-Effekt hängt damit zusammen, dass Elektronen,
die bei angelegter Spannung in höhere Energiebänder gelangen, dort eine geringere Beweg-
lichkeit besitzen. Trotz höherer Feldstärke wird die Stromstärke geringer, d.h. es liegt ein ne-
gativer differentieller Widerstand vor. Dieser ist Voraussetzung für die Schwingungserzeu-
gung und Verstärkung.
Der Mikrowellenempfänger besteht aus einem HF-Detektor und einem analogen Anzeigegerät
(siehe Abbildung A.3). Die Amplitude des angezeigten Signals ist proportional zur Leistung
des einfallenden Signals. Ein Mikrowellenhorn detektiert das Mikrowellensignal und leitet es
zu einer Schottkydiode, die als Spitzenwertgleichrichter die Mikrowellenleistung bei 10.525
GHz in eine Spannung wandelt.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Einleitung
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 7
Abbildung A.3: Mikrowellenempfänger
Sehr wichtig:
• Der dargestellte Wert ist zur Eingangsleistung proportional. Für relative Messungen
sind nur relative Messwerte einsetzbar.
• Um Ihre Messungen zu normalisieren, müssen Sie die abgelesene Werte mit der
Leistungsauswahl für die Werte (30X, 10X, 3X, 1X) multiplizieren. Allerdings ist das
richtig, nur wenn Sie die Position des VARIABLENEMPFINDLICHKEITS-Knopfs
zwischen Messungen nicht ändern.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment1
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Experiment 1: Freiraumdämpfung
1.1 Grundlagen und Einführung
Die Freiraumdämpfung beschreibt die Reduzierung der Leistungsdichte bei der Ausbreitung
der elektromagnetischen Wellen im freien Raum, also ohne Störeinflüsse von zusätzlich
dämpfenden Medien (wie zum Beispiel der Luftfeuchtigkeit) oder Störungen durch Reflexio-
nen. Idealerweise wird eine Freiraumdämpfung nur im Vakuum auftreten, beispielsweise im
Weltraum bei Richtfunkverbindungen von oder zu Satelliten. Jedoch ist sie auch wichtiges
Kriterium zur Berechnung notwendiger Sendeleistungen und Empfängerempfindlichkeiten bei
Anwendungen in der Praxis.
Praktisch ist die Freiraumdämpfung F das Verhältnis der gesamten Oberfläche der Kugel mit
der Entfernung zur Empfangsantenne als Radius zur Wirkfläche der Empfangsantenne. Wenn
der Antennengewinn nicht berücksichtigt wird, also allgemein als 1 angenommen wird, dann
kann die Oberfläche der Kugel Ar = 4πr2 mit der Wirkfläche AW = λ2·G / 4π ins Verhältnis
gesetzt werden und dann erhält man die allgemeine Formel der Freiraumdämpfung:
(1.1) Aw = Wirkfläche der Antenne
G = Antennengewinn
λ = Wellenlänge
Die Freiraumdämpfung F ist also proportional zum Quadrat der Entfernung r. Bei der Ver-
dopplung vom Abstand r wird sich die Freiraumdämpfung viermal erhöhen. Das führt also zu
6 dB Dämpfung. Anders gesagt nimmt die Empfangsleistung bei der Freiraumausbreitung
quadratisch mit der Entfernung ab, d.h. mit 6 dB pro Entfernungsverdopplung.
Unter einem Richtdiagramm versteht man die zeichnerische Darstellung eines Schnitts durch
die relative Richtcharakteristik.
Die relative Richtcharakteristik einer Antenne ist die Normierung der absoluten Richtcharak-
teristik C(θ, φ) auf den im allgemein größten Wert in Hauptstrahlrichtung. C max. ���,��
���: relati-
ve Richtcharakteristik.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment1
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Die absolute Richtcharakteristik C(θ, φ) einer Antenne ist eine reine Antennenkenngröße, der
er Richtung von der Ausbreitungsrichtung und von der Polarisationsrichtung abhängig ist. In
Hauptstrahlung ist θ=0 und φ=0, d.h. C(θ, φ)= C max.
Die Apertur ist die die Ebene, durch die der weitaus größte Teil der Strahlung geht.
Die Strahlungsintensität kann als Energiefluss- bzw. Leistungsdichte als Leistung pro Fläche
angegeben werden (beispielsweise also in der Einheit W/m2 oder mW/cm2 d.h.: W/m2= 0,1
mW/cm2). In der Wellenlehre ist die Intensität proportional zum Quadrat der Amplitude
A der Welle: I ∞ A2
Die Eigenschaften des Strahlungsfelds hängen von der Entfernung zur Antenne ab. Dabei
kann man zwei Bereiche, nämlich das Nah- und das Fernfeld unterscheiden.
Als Fernfeld bezeichnet man jeden Bereich, in dem der Abstand zur Strahlungsquelle groß
gegenüber der Wellenlänge der Strahlung ist. Die elektromagnetische Strahlung verhält sich
dann wie eine sogenannte ebene Welle. In diesem Fall stehen elektrische und magnetische
Feldstärke aufeinander senkrecht und sind »in Phase«, d. h. beide Feldkomponenten verän-
dern sich gleichzeitig in gleicher Weise. Dies bedeutet, dass das Verhältnis von elektrischer
zu magnetischer Feldstärke konstant und reell ist und einen charakteristischen Wert, den so-
genannten Wellenwiderstand ergibt.
Im Fernfeld einer Sendeantenne ist jedoch die Abnahme der elektrischen (und damit auch der
magnetischen) Feldstärke nicht mehr so stark und erfolgt nur mehr linear mit der Entfernung.
Im Nahfeld einer Strahlungsquelle ist das Strahlungsfeld sehr inhomogen: Elektrische und
magnetische Feldstärke sind nicht mehr in Phase, ihr Verhältnis ist weder reell noch konstant.
1.2 Versuchsaufbau
1. Orientieren Sie den Sender und den Empfänger auf dem Winkelmesser so, wie es in
der Abbildung 1.1 gezeigt wird. Der Empfänger und der Sender müssen die gleiche
Polarisation haben, d.h. sie müssen die gleiche Orientation haben.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment1
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Abbildung 1.1: Versuchsaufbau zur Messung der Freiraumdämpfung
2. Schalten Sie den Sender an und drehen Sie „INTENSITY selection“ von OFF bis l0X
(Die LEDs sollen an sein).
1.3 Versuchsdurchführung
1. Fixieren Sie eine Entfernung d=40 cm zwischen Sender und Empfänger. Variieren
Sie die Leistung und die Variablenempfindlichkeit bis das Anzeigegerät (Meter Rea-
der) 1.0 zeigt.
2. Variieren Sie die Entfernung "d" und füllen Sie die unten dargestellte Tabelle aus:
d (cm) Anzeigemesswert Leistung (mW)
40
50
60
70
80
90
100
Tabelle 1.1
Wichtig: Reflexionen von der nahegelegenen Objekte (z.B. Tischspitze) können auf die Er-
gebnisse beeinflussen. Um diesen Effekt zu reduzieren, halten Sie Ihren Tisch von alle Objek-
ten frei, besonders von metallischen Objekten.
d
R= Entfernung zwischen Quelldiode im Sender und Detektordiode im Empfänger. d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger mit der im Praxis gearbeitet wird. .
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment1
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3. Drehen Sie den Senderarm des Winkelmessers, wie es in der Abbildung 1.2 gezeigt
ist.
Abbildung 1.2: Aufbau zur Messung der Richtcharakteristik
4. Variieren Sie den Senderwinkel zwischen 140° und 220° in 5° Schritten und füllen Sie
die folgende Tabelle aus.
Winkel Anzeigegerät Winkel Anzeigegerät
140° 175°
145° 180°
150° 185°
155° 190°
160° 200°
165° 210°
170° 220°
Tabelle 1.2
1.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Was ist der Unterschied zwischen der Kugelstrahlung und der Ebenestrahlung?
2. Basierend auf Ihre Ergebnisse aus der Tabelle 1.2 kann der Sender als eine Kugelwelle
oder als eine Ebene Welle betrachtet werden?
3. Um welchen Faktor nehmen die Feldstärke mit zunehmender Entfernung (r) in jeweils
einem Nahfeld und einem Fernfeld?
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment1
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Stellen Sie die Messergebnisse in einem üblichen Bericht dar und werten sie die Ergebnisse
aus.
Auswertung:
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 2
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Experiment 2: Polarisation
2.1 Grundlagen und Einführung
Bei dem durch eine Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Feld stehen die Kraftlinien
des elektrischen Feldes senkrecht zu dem magnetischen Feld. Beide Feldkomponenten hängen
von der Lage der Antenne bezogen zur Erdoberfläche ab. Die Richtung der elektrischen Feld-
komponente einer elektromagnetischen Welle wird zur Bestimmung der Polarisationsrichtung
der Abstrahlung herangezogen. Man unterscheidet zwischen einer linearen und einer zirkula-
ren Polarisation (siehe Abbildung 2.1).
• Lineare Polarisation: Aus der linearen Polarisation lassen sich zwei weitere Hauptfor-
men der Polarisation ableiten:
- Die vertikale Polarisation mit senkrecht zur Erdoberfläche verlaufendem elektri-
schem Feld.
- Die horizontale Polarisation mit parallel zur Erdoberfläche verlaufendem elekt-
rischem Feld.
• Zirkulare Polarisation: Bei der zirkularen Polarisation rotiert der Feldstärkevektor
rechts- oder linksdrehend senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Z (rechtsdrehende-
/linksdrehende Zirkularpolarisation). Eine zirkulare Polarisation entsteht durch zwei
um 90° phasenverschoben gespeiste und gleichzeitig um 90° versetzte linearpolarisier-
te Antennen. Sind die Amplituden zweier solcher linearer Komponenten nicht gleich
groß, entsteht eine elliptische Polarisation.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 2
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 14
Abbildung 2.1: Horizontale, vertikale und zirkulare Polarisation
Die Mikrowellenstrahlung vom Sender ist entlang der Achse von der Senderdiode linear pola-
risiert (d.h. da sich die Strahlung durch den Raum ausbreitet, ist das elektrische Feld nach der
Achse der Diode ausgerichtet).
Wenn die Senderdiode vertikal ausgerichtet würde, würde das elektrische Feld der übersand-
ten Wellen vertikal polarisiert (siehe Abbildung 2.2).
Abbildung 2.2: Vertikale Polarisation
Wenn der Winkel zwischen der Detektordiode und der Senderdiode θ ist (Abbildung 2.3),
wird es nur der Bestandteil des elektrischen Feld, der entlang seiner Achse ausgerichtet wur-
de, detektiert.
Vertikale polarisierte Welle
Zirkulare polarisierte Welle
Horizontale polarisierte Welle
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 2
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Abbildung 2.3: Detektion der polarisierten Strahlung
2.2 Versuchsaufbau
1. Stellen Sie den Empfänger und den Sender wie es in der Abbildung 2.4 gezeigt wird.
Abbildung 2.4: Position des Senders und des Empfängers
2. Lockern Sie die große hintere Schraube vom Empfänger (Handscrew) und drehen Sie
den Empfänger (siehe Abbildung 2.5). Dies ändert die Polarität von der maximalen
Detektion.
Abbildung 2.5: Polarisation
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 2
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 16
2.3 Versuchsdurchführung
1. Drehen Sie die Empfängerhornantenne und beobachten Sie das Anzeigegerät.
In welcher Polarität kann der Empfänger keine Strahlung detektieren?
Skizzieren Sie die Variation von der relativen Leistung in Abhängigkeit vom Emp-
fangswinkel auf dem unten dargestellten Graph.
Graph 2.1: Relative Leistung in (mW) in Abhängigkeit vom Empfangswinkel in (Grad)
2. Stellen Sie Sender und Empfänger mit dem Polarisator wie es in der Abbildung 2.6
gezeigt wird.
Abbildung 2.6: Position des Polarisators
0 50 100 150 200 250 300 3500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Empfangswinkel in Grad
rela
tive
Leis
tung
in m
W
Polarisator
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 2
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 17
3. Setzen Sie das Anzeigegerät an 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90° ein und füllen Sie die fol-
gende Tabelle aus.
Tabelle 2.2
4. Stellen Sie Sender und Empfänger exakt gegenüber und füllen Sie die folgende Tabel-
le aus.
Winkel von Schlitzen Anzeigegerät
Horizontal
Vertikal
45°
Tabelle 2.3
2.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Wenn das Anzeigegerät (M) zum elektrischen Feld (E) entlang seiner Achse direkt
proportional ist, ist M = M0*cosθ (θ ist der Winkel zwischen Empfänger und Sender-
diode, M0 ist das Anzeigegerät wenn θ= 0) (siehe Abbildung 2.3). Stellen Sie Ihre
Messung aus der Tabelle 2.2 grafisch dar. Stellen Sie die Funktion M = M0*cosθ auf
demselben Graph dar. Vergleichen Sie die zwei Graphen.
Winkel vom
Empfänger Anzeigegerät
0° (Horizontal)
22.5°
45°
67.5
90°(Vertikal)
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 2
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Graph 2.2: Relative Leistung in (mW) in Abhängigkeit vom Polarisationswinkel in Grad
2. Wie können Sie den Effekt eines Polarisators auf die hinlaufende Mikrowelle erklä-
ren?
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Polarisationswinkel in Grad
rela
tive
Leis
tung
in m
W
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 2
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Stellen Sie die Bemessungen in einem üblichen Bericht dar und werten Sie die Ergebnisse
aus.
Auswertung:
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 3
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Experiment 3: Reflexion
3.1 Grundlagen und Einführung
Allgemein für beliebige Wellen und Medien findet immer eine Reflexion statt, wenn sich der
Wellenwiderstand des Ausbreitungsmediums ändert. Die größten Änderungen im Freiraum
entstehen, wenn sich die Freiraumwelle an einem Objekt vollständig reflektiert. Mathematisch
überlagern sich bei einer Reflexion hinlaufende und rücklaufende Welle.
3.2 Versuchsaufbau
1. Ordnen Sie die Anlage vom Sender, Empfänger und Reflektor (metallische Platte),
wie es in der Abbildung 3.1 gezeigt wird. Der Sender ist mit dem festen Arm des
Winkelmessers angeschlossen. Versuchen Sie den Sender und den Empfänger zu der-
selben Polarisation zu regulieren (siehe Abb. 3.1).
Abbildung 3.1: Position des Senders und des Empfängers
2. Schalten Sie den Sender an und drehen Sie die Leistung des Empfängers in 30X.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 3
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3.3 Versuchsdurchführung
1. Der Winkel zwischen der hinlaufenden Welle und der zur Ebene des Reflektors nor-
malen Linien ist der so genannte Einfallswinkel (angle of incidence φi) (siehe Abbil-
dung 3.2). Drehen Sie den Drehhalter (eng.: Rotating Component Holder) damit
φi= 45° ist.
2. Ohne den Sender oder den Reflektor zu bewegen, drehen Sie den beweglichen Arm
des Winkelmessers, bis das Anzeigegerät ein Maximum zeigt. Der Winkel zwischen
der Achse des Empfängerhornes und einer zur Ebene des Reflektors normalen Linie
wird den Reflexionswinkel (angle of reflection φr) genannt.
Abbildung 3.2: Einfalls- und Reflexionswinkel
3. Nehmen Sie für jeden Einfallswinkel φi die relative Leistung und füllen Sie das darge-
stellte Antennendiagramm aus.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 3
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Graph 3.1: Relative Leistung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel φi
3.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Welche Relation zwischen dem Einfallswinkel und dem Reflexionswinkel gibt es? Ist
diese Relation für alle Einfallswinkel gültig?
2. Wie wirkt sich die Reflexion auf die Leistung der Mikrowelle aus? Reflektiert sich die
gesamte Energie? Ändert sich die Leistung des reflektierten Signals mit dem Einfalls-
winkel?
3. Ein Metall ist ein guter Reflektor von den Mikrowellen. Beobachten Sie die reflektie-
renden Eigenschaften anderer Materialien. Geht einige Energie durch das Material
hindurch? Absorbiert das Material etwas davon? Vergleichen Sie die reflektierenden
Eigenschaften von leitenden und nichtleitenden Materialien.
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 3
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 23
Stellen Sie die Messergebnisse in einem üblichen Bericht dar und werten Sie die Ergebnisse
aus.
Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 4
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 24
Experiment 4: Stehende Wellen – Messung
von Wellenlängen
4.1 Grundlagen und Einführung
Wenn sich zwei elektromagnetische Wellen im Raum treffen, überlagern sie sich. Deshalb ist
das elektrische Gesamtfeld an jedem Punkt die Summe der elektrischen Felder, die durch bei-
de Wellen an diesem Punkt verursacht sind. Wenn sich zwei Wellen bei der gleichen Fre-
quenz in der entgegengesetzten Richtung ausbreiten, bilden sie eine stehende Welle. Die Kno-
ten (eng. Nodes) erscheinen, wenn sich die Felder von zwei Wellen annullieren. In diesem
Fall ist die Wellenamplitude Null. Der Abstand zwischen Knoten in der sehenden Welle ist
λ/2, wo λ die Wellenlänge der zwei Wellen ist. Auf halben Wegen zwischen je zwei Nullstel-
len ist eine Bäuche (eng. Antinodes) gebildet. An diesen Punkten fügen die beiden Wellen mit
der gleichen Phase und verstärken sich gegenseitig.
4.2 Versuchsaufbau
In diesem Experiment sind die Mikrowellenhörner keine perfekten Kollektoren der Mikrowel-
lenstrahlung, sondern auch durchlässige Reflektoren. Die Strahlung vom Sender reflektiert
sich zum Teil hin und her zwischen dem Sender und dem Reflektor, damit vermindert sich die
Amplitude in jedem Durchgang. Jedoch, wenn die Entfernung zwischen den Sender- und
Empfängerdioden n*λ/2 ist (n ist eine ganze Zahl und λ ist die Wellenlänge der Strahlung),
dann werden die multiplizierenden reflektierten Wellen, die ins Empfängerhorn eingehen, in
der Phase mit der am Anfang gesendete Welle sein. In diesem Fall ist das Anzeigegerät in
Maximum. d.h.: Der Abstand zwischen zwei Maxima ist λ/2.
1. Stellen Sie die Ausrüstung auf, wie es in der Abbildung 4.2 gezeigt wird. Regulieren
Sie die Empfängersteuerungen, um mit den Sender und Empfänger so eng miteinander
möglichst einen maßstäblichen Wert vom Anzeigegerät zu bekommen. Entfernen Sie
langsam den Empfänger entlang dem Winkelmesserarm vom Sender. Wie wirkt sich
diese Bewegung auf das Anzeigegerät aus?
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 4
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 25
Abbildung 4.2: Versuchsaufbau zur Messung der Wellenlänge
4.3 Versuchsdurchführung
1. Lassen Sie den Empfänger ein oder zwei Zentimeter entlang dem Winkelmesserarm
gleiten, bis Sie ein Maximum vom Anzeigegerät erhalten. Registrieren Sie die Emp-
fängerposition entlang der metrischen Skala des Winkelmesserarms.
Anfangsposition vom Empfänger =_________________________.
2. Entfernen Sie den Empfänger vom Sender. Halten Sie an, bis der Empfänger mindes-
tens 10 Positionen durchführt, an denen Sie einen minimalen Wert ablesen können.
Wenn die Position zurückkehrt, können Sie wieder den maximalen Wert ablesen.
Registrieren Sie die neue Position des Empfängers und die überquerte Zahl von Mini-
ma.
Minima überquert = _________________________.
Endeempfängerposition=_________________________.
3. Verwenden Sie Ihre Daten, um die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung zu rechnen.
λ=_________________________.
4. Wiederholen Sie Ihre Messung und rechnen Sie λ wieder
Anfangsposition vom Empfänger =_________________________.
Minima überquert = ________________________.
Endeempfängerposition =_________________________.
λ=_________________________.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 4
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 26
4.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
Bestimmen Sie die Frequenz dieses Mikrowellensignals.
Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 5
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 27
Experiment 5: Brechung
5.1 Grundlagen der Brechung
Wenn die elektromagnetischen Wellen auf eine Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen
Medien schräg auftreffen, werden Sie gebrochen. Dadurch ändert sich die Richtung der Wel-
lenausbreitung. Diese Änderung in der Richtung wird Brechung genannt. Mathematisch wird
durch das Gesetz von Snellius zusammengefasst: n1*sinθ1= n2*sinθ2 (siehe Abbildung 5.1).
θ1: Winkel zwischen der einfallenden Welle und der Normalen zur Grenze zwischen den
zwei Medien.
θ2: Winkel zwischen der gebrochenen Welle und der Normalen.
n1: Brechzahl von der Seite des einfallenden Winkels.
n2: Brechzahl von der Seite des Brechungswinkels.
Abbildung 5.1: Einfallender Winkel und Brechungswinkel
In einem optisch dichteren Medium bewegt sich das Licht langsamer als in einem optisch
dünneren Medium. Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit c in Vakuum zur Lichtge-
schwindigkeit v in einem anderen Medium ergibt sich die Brechzahl n dieses Mediums.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 5
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 28
Jedes Material kann durch einen Brechzahl n beschrieben werden. Diese Zahl zeigt das Ver-
hältnis zwischen der Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Vakuum und der
Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Material. Die Brechzahl ist eine funda-
mentale optische Größe und von der Wellenlänge λ des Lichts abhängig. =
�
c: Lichtgeschwindigkeit
In diesem Experiment werden Sie das Gesetz der Brechung verwenden, um die Brechzahl von
Styrol-Kügelchen zu messen.
4.2 Versuchsaufbau
1. Bauen Sie die Anlage, wie es in der Abbildung 5.2 gezeigt wird, auf. Drehen Sie das
Prisma und sehen Sie, wie es auf die einfallende Welle bewirkt. (Reflexion, Brechung
oder Absorption der Welle).
Abbildung 5.2: Position des Prismas
5.3 Versuchsdurchführung
1. Füllen Sie das Prisma mit den Styrol-Kügelchen. Lassen Sie den beweglichen Arm des
Winkelmessers (Empfänger) rotieren und nehmen Sie den Winkel θ, der das maximale
gebrochene Signal entspricht. (θ ist der abgelesene Winkel vom Winkelmesser).
2. Basierend auf das Diagramm von der Abbildung 5.3, bestimmen Sie θ, θ1, θ2. (Sie
können einen Gradbogen verwenden, um den Winkel vom Prisma zu messen.). Be-
stimmen Sie n1, wenn n2 = nair=1 ist.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 5
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 29
Abbildung 5.3: Geometrie der Prisma-Brechung
4.3 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
Es ist angenommen, dass die Welle ungebrochen wird, wenn sie die erste Seite des Prismas
trifft (an einem Einfallswinkel von 0°)
1. Man dreht ohne Prisma den Empfänger so, dass er sich außerhalb der Sendekeule des
Senders befindet, also keinen Empfang hat. Bringt man nun ein Prisma in den Strah-
lengang des Senders. Was passiert es?
2. Würden Sie annehmen, dass die Brechzahl der Styrol-Kügelchen in der Prisma-Form
und die vom festen Styrol-Prisma gleich sind?
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 5
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Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 6
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 31
Experiment 6: Interferenz des doppelten Schlitzes
6.1 Grundlagen
Die Überlagerung zweier oder mehrerer Wellen gleicher Frequenz nennt man Interferenz;
dabei gilt das Superpositionsprinzip. Die aus der Überlagerung der Wellen entstehende Be-
wegung ist die Summe der einzelnen Wellenbewegungen. Dabei können sich die Wellen kon-
struktiv (verstärkend) oder destruktiv (auslöschend) ̈überlagern.
Wenn zwei Wellen sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen, können sie sich überla-
gern. Ein ähnliches Phänomen kommt vor, wenn eine elektromagnetische Welle zwei Schlitz-
öffnungen durchführt wird (siehe Abbildung 6.1). Die Welle beugt sich in zwei Wellen, die
sich im Raum hinter den Öffnungen überlagern. Es gibt Punkte im Raum, wo Maxima gebil-
det werden und andere, wo Minima gebildet werden. Mit einer doppelten Schlitzöffnung wird
sich die Leistung der Welle hinter der Öffnung abhängig vom Winkel der Detektion ändern.
Für zwei dünne Schlitze, die durch eine Entfernung d getrennt sind, werden Maxima durch
die folgende Beziehung gefunden, d*sin θ = n*λ (6.1).
θ: Winkel der Detektion
λ :Wellenlänge der einfallenden Strahlung,
n: ganze Zahl
d: Entfernung zwischen zwei Schlitzen
Abbildung 6.1: Interferenz des doppelten Schlitzes
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 6
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6.2 Versuchsaufbau
1. Errichten Sie den Versuch, wie es in der Abbildung 6.2 gezeigt wird. Es sind zwei Re-
flektoren und eine schmale Schlitzdistanzscheibe zu verwenden, um den doppelten
Schlitz zu bauen. Wir empfehlen eine Schlitzbreite von ungefähr 1.5 cm (siehe Abbil-
dung 6.2). Versuchen Sie eine mögliche Symmetrie zu halten.
Abbildung 6.2: Versuchsaufbau
2. Orientieren Sie den Sender und den Empfänger für die vertikale Polarisation (0°) und
Orientieren Sie die Empfängersteuerungen, damit Sie die niedrigste Werte ablesen
können.
6.3 Versuchsdurchführung
1. Orientieren Sie den Arm vom Winkelmesser so dass, der Empfänger gegenüber zum
Sender steht. Regulieren Sie die Empfängersteuerungen, um ein Anzeigegerät 1.0 zu
erhalten. Ändern Sie den Winkel θ und füllen Sie die Tabelle 6.1 aus.
2. Ändern Sie die Entfernung zwischen den Schlitzen und verwenden Sie die breite
Schlitzdistanzscheibe statt der schmalen Schlitzdistanzscheibe. Die breite Schlitzdis-
tanzscheibe ist 50% breiter als die Schmale (90 mm gegen 60 mm). Wiederholen Sie
die Messung und füllen Sie die Tabelle 6.1.b aus.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 6
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Für schmale Schlitzdistanzscheibe
Winkel Anzeigegerät Winkel Anzeigegerät
0°
45°
5°
50°
10°
55°
15°
60°
20°
65°
25°
70°
30°
75°
35°
80°
40°
85°
Tabelle 6.1.a Für breite Schlitzdistanzscheibe
Winkel Anzeigegerät Winkel Anzeigegerät
0°
45°
5°
50°
10°
55°
15°
60°
20°
65°
25°
70°
30°
75°
35°
80°
40°
85°
Tabelle 6.1.b
6.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Stellen Sie die Daten von den Tabellen 6.1.a und 6.1.b Graphisch dar. Identifizieren
Sie die Winkel, an denen die Maxima und Minima der Interferenz vorkommen
(Fraunhofer Minima).
2. Berechnen Sie die Winkel, an denen Sie die Maxima und Minima erwarten würden.
(λ=2.85 cm). Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse.
3. Erklären Sie den Fall in der die Empfangsleistung maximal ist. Betrachten Sie jeden
Schlitz als einzelnen Strahler.
Wie bewirkt sich der einzelne Schlitz auf die allgemeine Interferenz?
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 6
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Experiment 7: Lloydspiegel
7.1 Grundlagen und Einführung
In vorherigen Experimenten haben wir beobachtet, wie eine einzelne elektromagnetische Wel-
le in zwei Wellen sich beugt und wie sich dadurch eine Interferenz bildet.
Der Lloydspiegl ist ein anderes Beispiel dieses Phänomens, damit können wir ebenfalls die
Wellenlänge abmessen.
Abbildung 7.1: Lloydspiegel
Die Abbildung 7.1 ist ein Diagramm vom Lloydspiegel dargestellt. Eine elektromagnetische
Welle vom Punkt A wird im Punkt C detektiert. Ein Teil von der elektromagnetischen Wellen
breitet sich direkt zwischen A und C aus, aber ein anderer Teil erreicht den Punkt C nach ei-
ner Reflexion im Punkt B. Ein maximales Signal wird detektiert, wenn zwei Wellen in Phase
sind. Es ist angenommen, dass das Diagramm der Abbildung 7.1 eine Einstellung für ein ma-
ximales Signal zeigt. Ein anderes Maximum wird gefunden, wenn der Reflektor nach hinten
setzt. Die Länge des reflektierten Richtstrahl ist AB+BC+λ.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 7
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7.2 Versuchsaufbau
1. Ordnen Sie die Ausrüstung, wie es in der Abbildung 7.2 gezeigt wird.
Abbildung 7.2: Versuchsaufbau zum Lloydspiegl
2. Für beste Ergebnisse sollten der Sender und der Empfänger soweit wie möglich ent-
fernt sein. Der Empfänger und der Sender sind vom Zentrum des Winkelmessers
gleich weit entfernt (d1) und die Hörner stehen direkt gegenüber einander (siehe Ab-
bildung 7.3). Die Oberfläche des Reflektors muss parallel zur Achse der Sender- und
Empfängerhörner sein.
3. Während Sie langsam den Reflektor vom Zentrum des Winkelmessers entfernen, be-
obachten Sie das Anzeigegerät auf dem Empfänger. Bemerken Sie, wie das Anzeige-
gerät eine Reihe von Minima und Maxima durchführt.
4. Finden Sie die Position des Reflektors, in der er einen minimalen Anzeigewert er-
zeugt.
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Abbildung 7.3: Übertragung und Empfangspunkte
7.3 Versuchsdurchführung
1. Messen Sie h1 ab, h1 ist die Entfernung zwischen dem Zentrum vom Winkelmesser
und der Oberfläche des Reflektors.
h1 = _________________________.
2. Entfernen Sie langsam den Reflektor vom Winkelmesserzentrum, bis das Anzei-
gegerät ein Maximum durchführt und zu einem neuen Minimum zurückkehrt.
Messen Sie h2 ab. h2 ist die neue Entfernung zwischen dem Zentrum des Winkel-
messers und der Oberfläche des Reflektors.
h2 = _________________________.
3. Messen Sie d1. d1 ist die Entfernung zwischen dem Zentrum der Grad-Skala und
der Senderdiode.
d1 = _________________________.
4. Verwenden Sie Ihre gesammelten Daten, um die Wellenlänge der Mikrowellen-
strahlung zu berechnen.
λ = _________________________.
5. Ändern Sie die Entfernung zwischen dem Sender und Empfänger und wiederholen
Sie Ihre Messungen.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 7
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 38
h1 = _________________________. h2 = _________________________. d1 = _________________________. λ= _________________________.
7.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
Warum ist es wichtig in diesem Experiment, dass die effektive Sendungs- und Empfangs-
punkte gleich weit entfernt vom Zentrum des Winkelmessers sind?
Wichtig: Stehen Sie nicht vor dem Messaufbau, wenn Sie das Experiment durchführen. Ihr
Körper ist ein Reflektor. Versuchen Sie deshalb, zu einer Seite hinter der Ebene des Anten-
nenhornes zu stehen.
Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 8
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 39
Experiment 8: Fabry-Perot Interferometer
8.1 Grundlagen und Einführung
Wenn eine elektromagnetische Welle auf einen durchlässigen Reflektor stößt, ist ein Teil der
Welle reflektiert und der andere Teil durch den durchlässigen Reflektor transmittiert. Ein Fab-
ry-Perot Interferometer besteht aus zwei parallelen durchlässigen Reflektoren, die zwischen
einer Wellenquelle und einem Empfänger gestellt sind (siehe Abbildung 8.1).
Die Welle reflektiert mehrfach hin und her zwischen den zwei durchlässigen Reflektoren.
Jedoch wird mit jedem Durchgang ein Teil von der Strahlung durch den Detektor durchgehen.
Wenn die Entfernung zwischen den durchlässigen Reflektoren n*λ/2 gleich ist, wobei λ die
Wellenlänge der Strahlung ist und n eine ganze Zahl ist, dann werden alle Wellen, die durch
den Detektor durchlaufen, in Phase sein. In diesem Fall wird ein maximales Signal vom Emp-
fänger detektiert. Wenn die Entfernung zwischen den durchlässigen Reflektoren keine Vielfa-
che von λ/2 ist, dann wird eine zerstörende Interferenz in gewisser Masse vorkommen und
wird kein Maximum des Signals detektiert.
8.2 Versuchsaufbau
1. Errichten Sie den Messaufbau, wie es in der Abbildung 8.1 gezeigt ist.
Abbildung 8.1: Fabry-Perot Interferometer
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 8
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 40
2. Variieren Sie die Entfernung zwischen den durchlässigen Reflektoren und beobachten Sie
die relative Minima und Maxima.
8.3 Versuchsdurchführung
1. Optimieren Sie die Entfernung zwischen den durchlässigen Reflektoren, um einen
maximalen Wert am Anzeigegerät zu erhalten. d1 ist die Entfernung zwischen den
durchlässigen Reflektoren.
d1 = _________________________.
2. Während Sie das Anzeigegerät beobachten, entfernen Sie langsam einen von den
Durchlässigen Reflektoren vom anderen. Vergrößern Sie d1, bis das Anzeigegerät
mindestens 10 Minima durchgeführt hat und zu einem Maximum zurückgekehrt ist.
Notieren Sie die Zahl von Minima, die überquert wurden. Notieren Sie d2. d2 ist die
neue Entfernung zwischen den durchlässigen Reflektoren.
Überquerte Minima= _________________________. d2 = _________________________.
3. Nutzen Sie Ihre Daten, um die Wellenlänge der Mikrowellenausstrahlung zu berech-nen. λ=_________________________.
4. Beginnen Sie mit einer verschiedenen Entfernung zwischen den durchlässigen Reflek-
toren und wiederholen Sie Ihre Messungen von 1-3.
d1 = _________________. Überquerte Minima= ___________________. d2 = _________________. λ=_________________________.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 8
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8.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Welchen Abstand muss man zwischen den beiden Reflektoren einstellen, um ein Mi-
nimum zu erhalten?
2. Erklären Sie kurz basierend auf dieses Experiment das Prinzip eines Fabry-Perot Inter-
ferometers?
Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 9
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 42
Experiment 9: Michelson Interferometer
9.1 Grundlagen und Einführung
Wie beim Fabry-Perot Interferometer teilt der Michelson Interferometer eine einzelne Welle.
Danach bringt er die geteilten Wellen wieder zusammen, damit sie sich überlagern und eine
konstruktive Interferenz bilden. Die Abbildung 9.1 zeigt den Aufbau für den Michelson Inter-
ferometer. A und B sind Reflektoren (Spiegel) und C ist ein durchlässiger Reflektor. Mikro-
wellen breiten sich vom Sender bis zum Empfänger über mehr als zwei verschiedene Pfade
aus. Die Hauptpfade sind auf die Abbildung 9.1 illustriert.
Abbildung 9.1: Aufbau eines Michelson Interferometer
Sind die Abstände zwischen der durchlässigen Reflektor und den Spiegel jeweils gleich, ha-
ben die am Detektor eintreffenden Strahlen einen Phasenunterschied von 0. Verschiebt man
nun einen der beiden Spiegel um den Abstand d, so entsteht zwischen den beiden Wellen ein
Wegunterschied 2d, und die Lichtstärke ändert sich.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 9
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 43
Stellt man nun die Anzahl n der Interferenzmaxima bei einer Verschiebestrecke ∆d fest, so
lässt sich die Wellenlänge λ leicht berechnen: 2*∆d = n* λ
9.2 Versuchsaufbau
1. Der Messaufbau ist gemäß der Abbildung 9.1 zu erstellen. Stecken Sie den Sender ein
und regulieren Sie den Empfänger für ein leicht lesbares Signal.
2. Gleiten Sie den Reflektor A entlang dem Winkelmesserarm und beobachten Sie die re-
lative Maxima und Minima vom Ablenkungsmesser.
9.3 Versuchsdurchführung
1. Schieben Sie den Reflektor A in eine Position, die ein Maximum auf dem Anzeigege-
rät erzeugt. Notieren Sie die Position des Reflektors A auf dem Winkelmesserarm X1.
X1= _________________________.
2. Unter Beobachtung des Anzeigegeräts, entfernen Sie langsam den Reflektor vom
durchlässigen Reflektor, bis das Anzeigegerät mindestens 10 Minima durchgeführt hat
und zu einem Maximum zurückgekehrt ist. Registrieren Sie die Zahl von Minima, die
überquert wurden. Notieren Sie auch die neue Position des Reflektors auf dem Win-
kelmesserarm X2.
Überquerte Minima= _________________________. X2= _________________________.
3. Nutzen Sie Ihre Daten, um die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung zu berechnen.
λ= _________________________.
4. Ändern Sie die Position des Reflektors A und wiederholen Sie Ihre Messungen.
X1= _________________________.
Überquerte Minima= _________________________.
X2= _________________________.
λ= _________________________.
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 9
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 44
9.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Wie weit muss man den Reflektor verschieben, um zwischen einen Maximum und einen
Minimum zu unterscheiden?
2. Erklären Sie kurz basierend auf dieses Experiment das Prinzip eines Michelson Interfero-
meters?
Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 10
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 45
Experiment 10: Lichtwellenleiter
10.1 Grundlagen und Einführung
Lichtwellenleiter (LWL) sind dielektrische Leiter, in denen sich elektromagnetische Energie
des optischen Wellenlängenbereichs ausbreiten kann. Ihre Übertragungseigenschaften ist von
dem verwendeten Material Abhängig.
Lichtwellenleiter werden vor allem in der Nachrichtentechnik als Übertragungsmedium für
leitungsgebundene Kommunikationssysteme verwendet. Ihre wichtigsten Größen sind unter
anderen der Kerndurchmesser, das Brechzahlprofil (Stufenindex: Verlauf der Brechung zwi-
schen Kern und Mantel), die Anzahl von ausbreitungsfähigen Schwingungsmoden und die
Dämpfung, die an einer spektraler Absorption und Streuung liegt.
Abbildung 10.1: Typischer Aufbau eines Lichtwellenleiters
10.2 Versuchsaufbau
1. Richten Sie den Sender und den Empfänger direkt gegenübereinander auf dem Win-
kelmesser aus und regulieren Sie die Empfängersteuerungen für ein lesbares Signal.
2. Füllen Sie einen röhrenförmigen Plastikbeutel mit Styrol-Kügelchen (binden Sie das
Ende oder verwenden Sie ein Gummiband). Legen Sie ein Ende des Beutels im Sen-
derhorn. Was geschieht mit dem Anzeigegerät? Legen Sie jetzt die andere Endung ins
Empfängerhorn. Was ist der Unterschied zwischen der Leistung des detektierten Sig-
nals mit dem Beutel und ohne Beutel?
1- Kern 2- Mantel 3- Schutzbeschichtung 4- Äußere Hülle
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 10
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 46
3. Entfernen Sie den Plastikbeutel und drehen Sie den drehbaren Winkelmesserarm, bis
keine Ablenkung erscheint. Legen Sie eine Endung des Beutels im Senderhorn, andere
im Empfängerhorn. Beobachten Sie das Anzeigegerät.
4. Ändern Sie den Radius der Krümmung des Plastikbeutels. Wie bewirkt es die Signal-
stärke? Ändert sich das Signal nach der Änderung der radialen Krümmung der Plas-
tikbeutet?
10.3 Versuchsdurchführung
Bestimmen Sie die Brechzahl der Styrol-Kügelchen.
10.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
Würden Sie annehmen, dass der mit Styrol-Kügelchen gefüllte Plastikbeutel und die Strah-
lung an optischen Frequenzen dieselbe Funktionsweise haben? Warum?
Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 11
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 47
Experiment 11: Brewsterwinkel
11.1 Grundlagen und Einführung
Wenn eine elektromagnetische Strahlung von einem Medien in einem anderen durchgeht,
reflektiert sich ein Teil der Strahlung an der Oberfläche des neuen Mediums. In diesem Expe-
riment werden Sie entdecken, dass das reflektiertes Signal von der Polarisation der Strahlung
abhängt. Tatsächlich gibt es für einen bestimmten Einfallswinkel einen sogenannten
Brewsterwinkel, für den keine Strahlung reflektieren wird. Der Brewsterwinkel lässt sich aus
der Formel: θB = arctan ( ��
�� )
(brewstersches Gesetz) mit n2 > n1
Berechnen.
11.2 Versuchsaufbau
1. Verwenden Sie die Ausrüstung, wie es in der Abbildung 11.1 gezeigt ist.
Abbildung 11.1: Versuchsaufbau
2. Setzen Sie sowohl den Sender als auch den Empfänger für die horizontale Polarisation (90°).
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 11
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 48
11.3 Versuchsdurchführung
1. Orientieren Sie die Platte (Polyethylene Panel), indem der Einfallswinkel der Mikro-
welle vom Sender 20° ist.
2. Drehen Sie den Winkelmesserarm, bis die Position des Empfängers ein maximales
Signal von der Platte reflektieren lassen.
3. Ohne den Winkel zwischen dem übersandten Strahl, der Polyäthylen-platte, und dem
Empfänger zu ändern, rotieren Sie die beiden Hörner, bis Sie die vertikale Polarisation
(0°) haben.
4. Drehen Sie die „ Rotating Table“ und füllen Sie die Tabelle 11.1 aus. Für jeden Win-
kel setzen Sie Sender und Empfänger für die horizontale Polarisation ( siehe Schritt 2)
und dann für die vertikale Polarisation ( siehe Schritt 3)
Tabelle 11.1
5. Skizzieren Sie die Werte vom Anzeigegerät in Abhängigkeit vom Einfallswinkel. Tra-
gen Sie sowohl die Werte von der horizontalen als auch von der vertikalen Polarisati-
on auf demselben Graph ein. Markieren Sie den Brewsterwinkel.
Einfallswinkel
Anzeigegerät
(Horizontale
Polarisation )
Anzeigegerät
(Vertikale
Polarisation)
20°
25°
30°
35°
40°
45°
50°
50°
55°
60°
65°
70°
75°
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 11
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 49
11.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Wie kann der Brewsterwinkel nach diesem Experiment definiert werden?
2. Der kritische Winkel für die Totalreflexion (die Grenze, bei der das Brechungsgesetz
n1 sin θ1 = n2 sin θ2 keine reelle Lösung mehr hat) sei π/4.
Wie groß ist der Brewsterwinkel?
Auswertung
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 12
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 50
Experiment 12: Bragg Beugung
12.1 Grundlagen und Einführung
Das Gesetz von Bragg ermöglicht durch den Zusammenhang zwischen den Zwischenebenab-
stand im Kristall und den Streueinfallswinkel (X-Strahlen) eine Analyse der Kristallstruktur.
In diesem Experiment wird das Gesetz von Bragg auf eine makroskopische Skala demons-
triert, indem Sie einen kubischen Kristall, die aus 10 mm-metallische Kugeln besteht, einge-
setzt werden.
Für eine Beugung der Welle von einem Kristall in einen besonderen Winkel, müssen zwei
Kriterien getroffen werden:
- Einfallende Welle und reflektierte Welle sind gleich
- Bragg Gleichung ist 2*d*sinθ = n*λ, mit
d: Abstand zwischen den beugenden Ebenen ist.
θ: Glanz- oder Braggwinkel. Winkel zwischen Röntgenstrahl und Gitterebene
n: Ganze Zahl.
λ: Wellenlänge.
12.2 Versuchsaufbau
1. Erstellen Sie den Versuchsaufbau, wie es in der Abbildung 12.1 gezeigt ist.
Abbildung 12.1: Versuchsaufbau
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 12
Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Seite 51
2. Bemerken Sie die drei Gruppen von angezeigten Ebenen (siehe Abbildung 12.2).
(Die Benennungen (100), (110), und (210) sind die Miller-Indizes für diese Ebenen).
Abbildung 12.2: Atomebene von Bragg Kristall
3. Richten Sie den Kristall aus, so dass die (100) Ebene zum einfallenden Mikrowellen-
strahler parallel ist.
4. Regulieren Sie den Empfänger, bis Sie das Signal lesen können. Registrieren Sie den
auf dem Anzeigegerät angezeigten Wert.
12.3 Versuchsdurchführung
1. Drehen Sie den Kristall mit „Rotating Table“ 1° und den drehbaren Winkelmesser 2°
in der Uhrzeigerrichtung. Registrieren Sie den Bragg Winkel θB des einfallenden
Strahlers und des angezeigten Wertes. (θB = 90°- θe; θe ist der Einfallswinkel). Der
Winkel wird bezüglich der untersuchten Ebene (NICHT bezüglich der Oberfläche des
Würfels) gemessen, siehe Abbildung 12.3).
Praktikum Antennen und Ausbreitung Experiment 12
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Abbildung 12.3: Braggwinkel
2. Führen Sie den Versuch auf dieser Weise durch (10 Schritte) und drehen Sie den Win-
kelmesserarm 2° für jede 1° Drehungsgrad des Kristalls. Notieren Sie den Winkel und
den angezeigten Wert an jeder Position.
3. Stellen Sie die relative Leistung des gebeugten Signals in Abhängigkeit vom
Braggwinkel des einfallenden Strahlers grafisch dar.
Bei welchen Winkeln kommen bestimmte Maxima für die gebeugte Leistung vor?
4. Verwenden Sie die bekannte Mikrowellenlänge der Strahlung (2.85 cm) und das Ge-
setz von Bragg, um den Abstand zwischen den (100) Ebenen des Bragg-Kristalls zu
bestimmen. Vergleichen Sie es mit dem gemessenen Abstand.
5. Wiederholen Sie das Experiment für (110) und (210) Ebenen.
12.4 Aufgabenstellung zur Versuchsauswertung
1. Welche anderen Gruppen von Ebenen könnten Sie nehmen, damit sich eine Beugung
in einem kubischen Kristall befinden kann?
2. Falls Sie vorher die Orientierung der "Zwischenatomebene" im Kristall nicht kennen,
Wie würden Sie die Ebene auffinden?
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