Files

345 lines
8.1 KiB
TeX

% Author: Prof. Dr. Matthias Jung, DL9MJ
% Year: 2026
%
% Strahlungsmuster und Stromverteilung idealer Monopolantennen
% über perfekter Erde.
%
% Elevationswinkel alpha:
% 0° = Horizont
% 90° = Zenit
%
% Gezeigt werden:
% lambda/4
% lambda/2
% 5 lambda/8
% lambda
%
% Die orangen Kurven zeigen die relative elektrische Feldstärke |E|
% im Fernfeld bei gleicher insgesamt abgestrahlter Leistung.
%
% Alle Diagramme sind gemeinsam auf den lambda/4-Monopol normiert:
% E_max(lambda/4) = 1
%
% Die roten Kurven zeigen die idealisierte Stromverteilung
% entlang des Strahlers.
%
% Für die Feldstärke ergeben sich ungefähr:
%
% lambda/4: E_max = 1.000
% lambda/2: E_max = 1.212
% 5 lambda/8: E_max = 1.414
% lambda: E_max = 1.241
%
\begin{tikzpicture}
% --------------------------------------------------------------------------
% Fernfeld eines idealen vertikalen Monopols
%
% alpha = Elevationswinkel über dem Horizont
% h = Strahlerlänge in Wellenlängen
%
% Unnormierter Feldfaktor:
%
% cos(2*pi*h*sin(alpha)) - cos(2*pi*h)
% F(alpha) = ---------------------------------------------------
% cos(alpha)
%
% Die Antennen unterschiedlicher Länge werden so normiert,
% dass jeweils dieselbe Gesamtleistung abgestrahlt wird.
%
% Als gemeinsame Referenz dient der lambda/4-Monopol.
%
% Die Normierungsfaktoren für die Feldstärke sind die
% Quadratwurzeln der entsprechenden Leistungsfaktoren:
%
% lambda/4: 1.000000000
% lambda/2: 0.606072220
% 5 lambda/8: 0.828507649
% lambda: 0.530720330
%
% PGF verwendet Grad bei trigonometrischen Funktionen.
% Daher entspricht 2*pi*h dem Winkel 360*h.
% --------------------------------------------------------------------------
\pgfmathdeclarefunction{monofield}{3}{%
\pgfmathparse{%
abs(
(
cos(360*#2*sin(#1))
- cos(360*#2)
)
/ cos(#1)
)
* #3
}%
}
% --------------------------------------------------------------------------
% Polardiagramm
%
% Eine radiale Einheit entspricht dem maximalen E-Feld
% des lambda/4-Monopols.
%
% Der äußere Radius entspricht E = 1.5.
% --------------------------------------------------------------------------
\def\R{0.93}
\def\Emax{1.5}
% Horizontale Auslenkung der Stromkurve
\def\Iscale{0.28}
% Vertikale Skalierung der Antennendarstellung
\def\AntennaScale{1.55}
\tikzset{
polargrid/.style={
draw=black!35,
line width=0.35pt
},
polargridminor/.style={
draw=black!20,
line width=0.25pt
},
polarreference/.style={
draw=black!45,
line width=0.45pt
},
radiation/.style={
draw=DARCorange,
line width=1.4pt
},
antenna/.style={
draw=black,
line width=1.1pt
},
current/.style={
draw=DARCred,
line width=1.3pt
}
}
% --------------------------------------------------------------------------
% Panel
%
% #1 x-Position
% #2 y-Position
% #3 Strahlerlänge h/lambda
% #4 Normierungsfaktor des E-Feldes
% #5 Beschriftung der mechanischen Länge
% --------------------------------------------------------------------------
\newcommand{\MonopolePanel}[5]{%
\begin{scope}[shift={(#1,#2)}]
% --------------------------------------------------------------
% Polardiagramm
%
% Radiale Kreise:
% 0.5
% 1.0 = Maximum lambda/4
% 1.5
% --------------------------------------------------------------
\foreach \r in {0.5,1.5}{
\draw[polargridminor]
(0,0)
++(0:{\r*\R})
arc[
start angle=0,
end angle=90,
radius={\r*\R}
];
}
% Referenzkreis E = 1
\draw[polarreference]
(0,0)
++(0:\R)
arc[
start angle=0,
end angle=90,
radius=\R
];
% Winkelstrahlen
\foreach \a in {0,10,...,90}{
\draw[polargrid]
(0,0) -- (\a:{\Emax*\R});
}
% Winkelbeschriftungen
\foreach \a in {0,10,...,90}{
\node[
font=\scriptsize,
inner sep=1pt
] at (\a:{1.60*\R}) {\a};
}
% --------------------------------------------------------------
% Strahlungsdiagramm
%
% Radius proportional zur relativen elektrischen Feldstärke |E|.
%
% Alle vier Diagramme benutzen dieselbe Referenz:
%
% E_max(lambda/4) = 1
% --------------------------------------------------------------
\draw[radiation]
plot[
domain=0:89.7,
samples=350,
smooth,
variable=\a
]
(
{
\R
* monofield(\a,#3,#4)
* cos(\a)
},
{
\R
* monofield(\a,#3,#4)
* sin(\a)
}
);
% --------------------------------------------------------------
% Antennendarstellung
% --------------------------------------------------------------
\pgfmathsetmacro{\antennaheight}{\AntennaScale*#3}
% Groundplane / Erde
\draw[antenna]
(-0.73,0) -- (-0.27,0);
% Strahler
\draw[antenna]
(-0.50,0) -- (-0.50,\antennaheight);
% --------------------------------------------------------------
% Stromverteilung
%
% I(z) = Imax * sin(k * (l-z))
%
% Da z und l in Wellenlängen angegeben sind:
%
% I(z) = sin(360° * (l-z))
%
% Die Stromverteilung ist für jede Antenne auf denselben
% zeichnerischen Ausschlag skaliert. Die roten Kurven zeigen
% daher Form und Phasenlage, nicht die absolute Stromstärke.
%
% Ein Vorzeichenwechsel erscheint auf der jeweils anderen
% Seite des Strahlers.
% --------------------------------------------------------------
\draw[current]
plot[
domain=0:#3,
samples=180,
smooth,
variable=\z
]
(
{
-0.50
+ \Iscale*sin(360*(#3-\z))
},
{
\AntennaScale*\z
}
);
% --------------------------------------------------------------
% Längenmaß
% --------------------------------------------------------------
\draw[
Triangle-Triangle,
line width=0.55pt
]
(-0.82,0)
--
(-0.82,\antennaheight);
% Längenbeschriftung
\node[
rotate=90,
font=\small,
anchor=south
] at (-0.87,{0.5*\antennaheight})
{$l=#5$};
\end{scope}
}
% --------------------------------------------------------------------------
% Obere Reihe
% --------------------------------------------------------------------------
% lambda/4
%
% E_max = 1.000 bei alpha = 0°
%
\MonopolePanel
{0}
{0}
{0.25}
{1.000000000}
{\frac{1}{4}\lambda}
% lambda/2
%
% E_max ~= 1.212 bei alpha = 0°
%
\MonopolePanel
{3.15}
{0}
{0.50}
{0.606072220}
{\frac{1}{2}\lambda}
% --------------------------------------------------------------------------
% Untere Reihe
% --------------------------------------------------------------------------
% 5 lambda/8
%
% E_max ~= 1.414 bei alpha = 0°
%
% erste Nullstelle:
% alpha ~= 36.87°
%
% kleine Hochwinkelkeule
%
\MonopolePanel
{0}
{-2.05}
{0.625}
{0.828507649}
{\frac{5}{8}\lambda}
% lambda
%
% Nullstelle am Horizont:
% alpha = 0°
%
% E_max ~= 1.241
% Hauptmaximum bei alpha ~= 32.56°
%
\MonopolePanel
{3.15}
{-2.05}
{1.0}
{0.530720330}
{\lambda}
\end{tikzpicture}