Antennentechnik

Sendeantenne für den Mittelwellensender des AFN in Ditzingen-Hirschlanden

Kurzwellenantenne in Moosbrunn bei Wien

Eine Antenne ist eine technische Anordnung zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen, oft zur drahtlosen Kommunikation. Sie wandelt als Sendeantenne leitungsgebundene elektromagnetische Wellen in Freiraumwellen um, oder umgekehrt als Empfangsantenne die als Freiraumwelle ankommenden elektromagnetischen Wellen zurück in leitungsgebundene elektromagnetische Wellen. Wesentlich dafür ist die Anpassung des Wellenwiderstandes der Leitung an den Wellenwiderstand des Vakuums.

Die Baugröße liegt in der Größenordnung der Wellenlänge, bei kurzen Wellenlängen auch ein Vielfaches und bei sehr langen auch einen Bruchteil davon und reicht von mehreren hundert Metern für den Längstwellenbereich bei unter 10 kHz bis hinab zu Bruchteilen von Millimetern für den Höchstfrequenzbereich bei über 1 THz.^[1][2] Um die zwangsläufig auftretende Richtwirkung während der Abstrahlung zu verstärken oder gezielt zu verringern werden oft mehrere Einzelantennen zu einer Gruppenantenne zusammengeführt.

Geschichte

Dipolantenne mit Anpassung (Lecherleitung) für 1,5…3 GHz

Antennen aus gestreckten Drähten gehen zurück auf den deutschen Physiker Heinrich Hertz, der mit seinen Versuchen die theoretischen Vorhersagen des schottischen Physikers James Clerk Maxwell aus dem Jahr 1865 überprüfen wollte. Am 11. November 1886 gelang ihm der erste experimentelle Nachweis der Übertragung elektromagnetischer Wellen von einem Sender zu einem Empfänger mit Hilfe zweier Hertzscher Dipole.^[3] Die verwendete Wellenlänge lag mit etwa 2 m im UKW-Bereich. Da es für so hohe Frequenzen zunächst keine Nachweisgeräte gab, wurden die nachfolgenden Versuche von anderen Experimentatoren mit erheblich langwelligeren elektromagnetischen Wellen durchgeführt. Die verwendete Wellenlänge – wahrscheinlich einige 100 m – lässt sich kaum ermitteln, deshalb erübrigt sich die Frage, ob die verwendeten Antennen auf Resonanz abgestimmt waren.

Im Jahre 1893 begann der in Kroatien geborene Serbe Nikola Tesla Experimente mit verschiedenen primitiven Hochfrequenzoszillatoren wie Funkenstrecken und konnte bereits Ende 1896^[4] mit einer Sendestation in New York und einer 30 Kilometer entfernten Empfangsstation mit einer langwelligen Resonanzfrequenz von zwei Megahertz gute Fernübertragungsergebnisse erzielen. Am 2. September 1897 meldete er zwei Patente (Nr. 649.621 und 645.576) zur drahtlosen Energieübertragung an.

Der Italiener Guglielmo Marconi baute auf dem Wissen Teslas auf und stellte am 10. Mai 1897 sein Verfahren der Öffentlichkeit vor. Dabei sendete er Signale über den Bristolkanal. Im Oktober 1897 betrug die Distanz schon 15 km. Bei seinen Versuchen verwendete er einen Draht an einer hölzernen Zeltstange. Aus dem italienischen Namen für Zeltstange l'antenna centrale leitet sich das Wort für Antenne ab. Eine eingehende Untersuchung zur Herkunft des Begriffes Antenne hat der Linguist Jost Trier vorgelegt.^[5]

Mit einer Drachenantenne in 100 m Höhe überbrückte Marconi 1901 den Atlantik von Irland nach Neufundland. Marconi erhielt 1909 neben Ferdinand Braun den Nobelpreis in Physik für die Entwicklung der drahtlosen Telegraphie.

Der Erste Weltkrieg markiert 1914 den eigentlichen Beginn der Antennentechnik. Man benutzte zunächst Rahmenantennen als Empfänger. Um 1920 folgten Antennenarrays, später Hornstrahler und Parabolantennen.

Erst sechs Monate nach Teslas Tod wurde im Juni 1943 vom Supreme Court, dem höchsten Gerichtshof der Vereinigten Staaten, entschieden, dass Tesla der eigentliche Vater der Funktechnik sei.

Prinzip

Schaltungssymbole für Antennenanschlüsse, links zwei für einpolige Langdraht- oder Stabantennen, rechts für zwei Dipolvarianten

Ganz allgemein kann man Antennen als Koppelelemente zwischen geführten und ungeführten elektromagnetischen Wellen, d. h. als Wandler zwischen Leitungs- und Freiraumwellen, auffassen.

Elektromagnetische Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich im Raum ausbreiten. Eine exakte physikalisch-mathematische Beschreibung liefern die Maxwellschen Gleichungen bei vorgegebenen Randbedingungen. In der Praxis berechnet man die Abstrahlung der Energie durch Näherungsverfahren.

Die Erzeugung der elektromagnetischen Wellen kann mit einem elektrischen oder einem magnetischen Wechselfeld erfolgen. Entsprechend gibt es Antennen, die im Nahfeld

• primär elektrische Felder erzeugen, z. B. ein Dipol, und
• magnetische Antennen, die primär magnetische Felder erzeugen, z. B. eine einfache Drahtschleife.

Das Fernfeld ist jedoch bei beiden Antennentypen gleich.

Entstehung einer Dipolantenne aus einem Schwingkreis

Eine resonante Dipolantenne erzeugt ausgewogen sowohl elektrische als auch magnetische Felder. Die Grafik erläutert die Entstehung einer Antenne als entarteter Schwingkreis aus Kondensator und Spule: Die Kondensatorplatten werden je um ±90° nach außen gedreht und zu einem Leiter geformt; die Leitungsinduktivitäten übernehmen die Funktion der Spule. Wird der Kreis in elektrische Schwingungen versetzt, bilden sich geschlossene elektrische Feldlinien (in der Animation blau).

Der Wirkungsgrad einer Antenne hängt primär ab von ihren Verlusten und ihrer Anpassung an die Speiseleitung. Antennen, die deutlich kleiner sind als eine halbe Wellenlänge, haben generell einen schlechten Wirkungsgrad. Die Impedanz, die eine Antenne an ihrem Anschluss bietet, ist stark frequenzabhängig. Durch spezielle konstruktive Maßnahmen kann man die Frequenzabhängigkeit reduzieren (Breitbandantennen), gewöhnlich auf Kosten anderer Parameter.

Reziprozität

Reziprozität oder Umkehrbarkeit ist gegeben, wenn in einer Anordnung Ursache und Wirkung miteinander vertauscht werden können, ohne dass sich die charakteristischen Verhältnisse ändern. Antennen sind grundsätzlich reziprok, können also mit gleichen charakteristischen Eigenschaften sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden. So werden Antennen meist als Sendeantennen betrachtet und vermessen und deshalb auch Empfangsantennen oft als Strahler bezeichnet.

Im Zusammenhang mit breitbandigen Signalen (UWB) ist zu beachten, dass Reziprozität nicht bedeutet, dass ein Empfänger mit einer gleichartigen (Breitband-)antenne wie der Sender eine getreue Kopie des Sendesignals gewinnt. Vielmehr quadriert sich der Frequenzgang.

In der Praxis gilt die Reziprozität nur begrenzt. Eine Antenne, die für den Empfang ausgelegt ist, wird evtl. beschädigt, wenn sie die hohen elektrischen Leistungen einer Sendeanlage abstrahlen soll. Als Sendeantennen sind auch solche Empfangsantennen ungeeignet, deren nichtlineare Elemente wie beispielsweise Ferrite nicht entsprechend ausgelegt sind.

Scheinbar der Reziprozität widerspricht, dass unterhalb von etwa 100 MHz der Wirkungsgrad der Empfangsantenne weniger wichtig ist als der der Sendeantenne. Ursache ist die Rauschtemperatur der Atmosphäre. Auf niedrigen Frequenzen dominiert auch bei Empfangsantennen mit sehr schlechtem Wirkungsgrad das den Verstärker erreichende atmosphärische Rauschen das Rauschen des Verstärkers. Vorteile bieten große Empfangsantennen aber auf Grund ihrer Richtwirkung, mit der sie Störungen aus anderen Richtungen ausblenden. Ein typisches Beispiel für eine reine Empfangsantenne mit sehr schlechtem Wirkungsgrad ist die Beverage-Antenne.

Antennenparameter

Verschiedene Parameter charakterisieren eine Antenne:

Polarisation

Antennen strahlen polarisierte Wellen ab bzw. sind für bestimmte Polarisationsarten und -richtungen empfindlich, siehe Polarisation (Antennen). Wie in der Optik geht man von der elektrischen Komponente des Feldes aus, um die Schwingungsebene linearer Polarisation zu benennen, meist horizontal oder vertikal.

Überlagert man horizontal und vertikal polarisierte Wellen gleicher Phasenlage, so entsteht eine lineare Polarisierung, die entsprechend gegen die ursprünglichen Polarisationsebenen geneigt ist. Bei 90° Phasenverschiebung zwischen der horizontal und der vertikal polarisierten Welle spricht man von zirkularer Polarisation. Je nach Phasenfolge spricht man von rechts zirkularer oder links zirkularer Polarisation. Sind die beiden Komponenten unterschiedlich stark, kann man auch von elliptischer Polarisation sprechen. Zirkulare Polarisation erzeugt man oft mit Kreuzdipolen.

Wenn Empfangs- und Sendeantenne in ihrer Polarisation nicht übereinstimmen, wird die Signalübertragung stark gedämpft. Das ist ein Vorteil zirkular polarisierter Strahlung: Irgendwelche Polarisationsverwerfungen spielen keine Rolle. Zirkular polarisierte Signale kehren ihre Drehrichtung allerdings bei Reflexion um.

Fußpunktwiderstand

Ersatzschaltbild zur Impedanz

Wenn bei Resonanz der Blindwiderstand jX einer Antenne verschwindet, ist der Fußpunktwiderstand (oder Eingangswiderstand) einer Antenne reellwertig und ergibt sich rechnerisch aus der zugeführten Leistung P und dem Strom I, der an den Anschlussklemmen gemessen werden kann. Meist wird er zerlegt in die Summe aus Verlustwiderstand und Strahlungswiderstand.

$ R_{\mathrm {Fusspunkt} }={\frac {P}{I^{2}}}=R_{Strahlung}+R_{Verlust}\, $

Der Verlustwiderstand enthält Beiträge wie den ohmschen Widerstand der Leitungsdrähte, Verluste im Anpassnetzwerk und (bei einer Groundplane-Antenne) den Erdungswiderstand^[6].

Der Fußpunktwiderstand hängt sehr stark von der Bauform und der Art des Anschlusses ab:

• In der Unterhaltungselektronik (z. B. für den terrestrischen Fernsehempfang) sind die Antennen für eine Impedanz von 75 Ω ausgelegt.
• Antennen für mobile Funkgeräte haben Fußpunktwiderstände von 50 Ω und niedriger. Die Impedanzen von Sendern und Kabeln haben deshalb dort 50 Ω.
• Der Fußpunktwiderstand eines endgespeisten Dipols liegt bei 2200 Ω

Um den Fußpunktwiderstand der Antenne auf die Impedanz des Kabels anzupassen, werden Impedanzwandler oder Resonanztransformatoren eingesetzt.

Strahlungswiderstand

Der Strahlungswiderstand $ R_{\mathrm {s} } $ einer Antenne ist eine formale Größe, die den Zusammenhang zwischen dem Antennenstrom I an den Anschlussklemmen und der abgestrahlten Leistung $ {\overline {P}} $beschreibt.

$ R_{\mathrm {s} }={\frac {\overline {P}}{I^{2}}}\, $

Der Strahlungswiderstand ist immer geringer als der Fußpunktwiderstand und kann in Sonderfällen theoretisch berechnet werden. Ein λ/2-Dipol, der nicht durch seine Umgebung beeinflusst wird, hat auf seiner Resonanzfrequenz eine Impedanz von 73,2 Ω. Eine Groundplane mit unendlich ausgedehnter, ideal leitender Erdungsebene hat halb so viel, also 36,6 Ω. Bei einer stark kapazitiv belasteten T-Antenne liegt er bei nur wenigen Ohm.

Wirkungsgrad

Bei exakter Anpassung sollte im Idealfall die einer Antenne zugeführte Leistung auch vollständig abgestrahlt werden. Leider wird dieser Idealfall nie erreicht: Ein Teil der zugeführten Energie wird als Verlustleistung in Wärme umgewandelt. Das Verhältnis von abgestrahlter Leistung zur zugeführten Wirkleistung wird als Wirkungsgrad einer Antenne $ \eta _{\mathrm {A} } $ bezeichnet.

$ \eta _{\mathrm {A} }={\frac {\text{Nutzleistung}}{\text{Nutzleistung + Verlustleistung}}} $

Der Wirkungsgrad einer Antenne gibt an, wie viel Prozent von der gesamten der Antenne zugeführten Leistung wirklich abgestrahlt werden.

Da die Leistungen bei konstantem Speisestrom proportional zu den entsprechenden Widerständen gesetzt werden können, kann für den Resonanzfall ($ jX=0 $) folgende Beziehung gesetzt werden:

$ \eta _{\mathrm {A} }={\frac {\text{Strahlungswiderstand}}{\text{Strahlungswiderstand + Verlustwiderstand}}}={\frac {R_{\mathrm {S} }}{R_{\mathrm {S} }+R_{\mathrm {V} }}} $

Nicht abgestimmte Langdrahtantennen erreichen selten mehr als 1 % Wirkungsgrad. Die Parabolantenne liegt meistens über 50 %, der Hornstrahler bei 80 % und mehr.

Richtfaktor und Antennengewinn

Keine Antenne strahlt gleichmäßig in alle Richtungen. Der Richtfaktor D ist das Verhältnis der in Vorzugsrichtung gemessenen Strahlungsintensität zum Mittelwert über alle Richtungen. D = 1 entspricht dem als Bezugsantenne verwendeten nicht realisierbaren Isotropstrahler. Der Antennengewinn G verwendet im Nenner statt der mittleren Strahlungsintensität die gespeiste Sendeleistung geteilt durch den vollen Raumwinkel (4π). Er berücksichtigt also zusätzlich noch den Wirkungsgrad der Antenne: $ G=\eta _{\mathrm {A} }\cdot D $. Da es einfacher ist, die gespeiste Energie zu messen, als in allen Richtungen die Strahlungsintensität, wird meist nur der Antennengewinn gemessen und in den Datenblättern kommerzieller Antennen genannt. Beide Größen sind relative Zahlenangaben und werden meist in Dezibel angegeben. Weil aber unterschiedliche Vergleichsantennen zugrunde liegen können, wird noch unterschieden in dBd (Bezug: Dipolantenne) und dBi (Bezug: Isotropstrahler).

Das Antennendiagramm einer Antenne stellt die Winkelabhängigkeit der Abstrahlung bzw. der Empfangsempfindlichkeit für eine bestimmte Frequenz und Polarisation grafisch dar. Eine verallgemeinerte Form des Antennendiagramms wird manchmal als Richtcharakteristik bezeichnet. Die in der Praxis gemessenen stark ausgefransten und zerklüfteten Antennendiagramme werden hier einer geometrischen oder theoretisch berechneten Grundform angenähert (z. B. eine Achtercharakteristik für den Dipol oder die Cosecans²-Charakteristik einer Radarantenne).

Absorptionsfläche (Wirkfläche)

Eine Empfangsantenne entnimmt aus einer ebenen Wellenfront Energie. Die Strahlungsdichte der Wellenfront ist eine Leistung pro Flächeneinheit. Der durch eine Antenne empfangenen Leistung kann eine Fläche zugeordnet werden, die effektive Absorptionsfläche A_W. Sie ist proportional zur Fläche eines Aperturstrahlers und unterscheidet sich von der geometrischen Größe A durch einen Faktor η, der den Wirkungsgrad der Antenne beschreibt:

$ A_{\mathrm {W} }=A\cdot \eta $

Die Wirkfläche ist proportional zum Gewinn G und es gilt für jede Antenne unabhängig von der Bauform:

$ {\frac {A_{\mathrm {W} }}{G}}={\frac {\lambda ^{2}}{4\cdot \pi }} $

Die Wirkfläche, Absorptionsfläche oder wirksame Antennenoberfläche A_W eines rechteckigen Hornstrahlers mit den Abmessungen a und b ist etwas kleiner als die geometrische Fläche:

$ A_{\mathrm {W} }={\frac {8}{{\pi }^{2}}}\cdot a\cdot b\approx 0{,}81\cdot a\cdot b $

Eine Wirkfläche lässt sich auch für Linearantennen angeben. Die Absorptionsfläche eines λ/2-Dipols beträgt beispielsweise:

$ A_{\mathrm {W} }\approx {\frac {\lambda ^{2}}{8}} $

Antennenfaktor, effektive Antennenhöhe/Antennenlänge

Der Antennenfaktor AF einer (als Empfangsantenne verwendeten) Antenne ist das (grundsätzlich frequenzabhängige) Verhältnis der elektrischen Feldstärke E der einfallenden Welle zur Ausgangsspannung U der Antenne:

$ \mathrm {AF} ={\frac {|E|}{|U|}} $

und wird auch als Wandlungsmaß oder Umwandlungsmaß bezeichnet. Er entspricht dem Kehrwert der (effektiven) Antennenhöhe bzw. -länge, hat die Einheit 1/m und ist eng verknüpft mit der Absorptionsfläche (Wirkfläche). Üblicherweise wird der Antennenfaktor logarithmiert in dB angegeben,

$ \mathrm {AF[dB(1/m)]} =20\log \left({\frac {|E|}{|U|}}\cdot \mathrm {1m} \right) $.

Bandbreite

Viele Antennenbauformen sind für eine bestimmte Resonanzfrequenz ausgelegt. Oft werden jedoch Antennen für mehr als nur eine Frequenz benötigt. Deswegen werden Breitbandantennen eingesetzt, die über einen weiten Frequenzbereich nutzbar sind. Die Bandbreite einer Antenne ist dann der Frequenzbereich, innerhalb dessen sich der Fußpunktwiderstand nur geringfügig ändert. Die Grenzen dieses Frequenzbereiches werden meistens durch die Halbwertsbreite bestimmt. Das ist der Bereich, in dem die abgestrahlte Energie maximal halbiert wird (−3 dB). Eine Vergrößerung der Bandbreite verringert stets den Wirkungsgrad einer Antenne.

Antennen-Bauformen

Eine Aufzählung von Antennenarten bzw. -bauformen findet sich in der Kategorie Antennenbauformen.

Die Baugröße einer Antenne muss immer in Relation zur Wellenlänge, der Betriebsfrequenz betrachtet werden. Ist eine Antenne deutlich kleiner als die halbe Wellenlänge, wird ihr Strahlungswiderstand sehr klein, weshalb ihr Wirkungsgrad gering wird. Je größer eine Antenne im Vergleich zur Wellenlänge wird, umso komplexer wird ihr Strahlungsdiagramm, weil sich räumlich getrennte Teilschwingungen überlagern. Die größten Antennen wurden Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts gebaut, als für Funk-Weitverbindungen ausschließlich Langwellensender benutzt wurden.

Die Gliederung von Antennenbauformen lässt sich nach vielen Gesichtspunkten vornehmen. Meist wird sie nach der Geometrie der Antenne vorgenommen, kann aber auch andere Kriterien (z. B. Bandbreite, Richtcharakteristik, Betriebsfrequenz) erfassen. Der Punktstrahler hat nur eine theoretische Bedeutung als Bezugsantenne, er lässt sich nicht praktisch realisieren und ist daher keine Antennenbauform.

Mögliche Unterteilung von Antennen:

• Linearstrahler (lineare Antennen)
• Flächenstrahler (Flächenantennen):
  • Aperturstrahler
  • Reflektorantennen
• Gruppenantennen bestehen aus vielen zusammengeschalteten gleichartigen Antennen.

Nach Anwendung können Antennen auch unterschieden werden in:

• Stationsantennen (fest an einem Ort, oft auf einem Mast)
• Mobilantennen (Betrieb in Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen)
• Antennen für tragbare Geräte( Handfunkgeräte, Funktelefone)

Lineare Antennen

Stromverteilung (rot) und Spannungsverteilung (blau) auf einem Halbwellendipol

Der Begriff lineare Antennen bezeichnet Antennen, die eine leitungsgeführte stehende Welle (auf einer Linie / ein gegenüber der Wellenlänge dünner Draht oder Stab) in Freiraumwellen umwandeln und umgekehrt. Zu den linearen Antennen gehören alle Formen von Langdrahtantennen sowie Dipolantennen und auch Faltdipole. Die lineare Antenne ist eine der gebräuchlichsten Strahlerformen. Sie wird beispielsweise als Sendemast in Rundfunksendern im Lang- und Mittelwellenbereich, als Drahtantenne im Kurzwellenbereich (Amateurfunk, Schiffsfunk) und als λ/2-Dipol als Strahler in Yagiantennen im VHF- bis UHF-Bereich sowie als λ/4-Dipol in Stabantennen für Kurzwelle bis jenseits des UHF-Bereiches (Funkdienste, Funktelefone, CB-Funk usw.) eingesetzt. Der Strom entlang der Antennenstäbe bzw. -drähte ist nicht konstant, sondern der Stromverteilung entlang einer leerlaufenden Leitung angenähert und nahezu sinusförmig verteilt. Es treten an den Enden (und bei längeren Antennen in Abständen der halben Wellenlänge) Stromknoten ($ {\underline {I}}=0 $) und Spannungsbäuche ($ {\underline {U}}={\hat {U}} $) auf.

Stromverteilung (rot) und Winkelverteilung (blau) der Strahlung an einem Dipol für verschiedene Wellenlängen

Die sinusförmige Stromverteilung auf Dipolantennen-Stäben wird zwar experimentell gut bestätigt, kann aber zur Berechnung des Eingangswiderstandes einer Antenne nicht herangezogen werden, da Strom und Spannung zeitlich nahezu um 90° phasenverschoben sind. Die Impedanz einer Antenne am Speisepunkt sollte jedoch keinen Blindwiderstandsanteil aufweisen, sie ist im Idealfall der äquivalente Serien- oder Parallelwiderstand, der durch die abgestrahlte Wirkleistung und – in geringem Maße – durch die Antennenverluste entsteht. Die Fußpunktimpedanz einer Antenne ist also ein rein ohmscher Widerstand, er sollte gleich der Leitungsimpedanz (Wellenwiderstand) der speisenden Leitung sein. Weicht die Antennen-Fußpunktimpedanz in ihrem Real- oder Imaginärteil davon ab, müssen Anpassglieder (Spulen, Baluns, π-Glieder, Anpassübertrager) eingesetzt werden.

Bei linearen Antennen ist die Länge im Verhältnis zur Wellenlänge λ maßgeblich. Die Verteilung der Strommaxima entlang der Strahler-Elemente einer symmetrischen, gestreckten Antenne ist ebenfalls symmetrisch und feststehend.

Halbwellendipol

Ist ohne Längenangabe von einer Dipolantenne die Rede, so ist meist ein Halbwellendipol gemeint. Seine Länge ist gleich der halben Wellenlänge λ. Im Speisepunkt ist er aufgetrennt; dort liegen ein Strommaximum und ein Spannungsminimum, siehe Abbildung links. Der Halbwellendipol hat daher eine niedrige Impedanz von 73,2 Ω.

Ein Faltdipol entsteht, indem der Stromweg eines Halbwellendipols auf zwei Wege aufgeteilt wird. In nur einem dieser Wege ist er aufgetrennt, dort liegt der Speisepunkt. Durch die induktive bzw. kapazitive Kopplung an den ungespeisten Stab halbiert sich der Speisestrom bei verdoppelter Speisespannung. Daher vervierfacht sich beim Faltdipol die Impedanz des Speisepunktes auf etwa 240–300 Ohm. Der Vorteil des Faltdipols ist dessen mögliche geerdete Befestigung am Antennenträger sowie früher die Verwendbarkeit preiswerter symmetrischer Speiseleitungen, der sogenannten Bandleitung.

Eine breitbandigere Form ist der Flächendipol, auch er zählt zu den linearen Antennen.

Viertelwellendipol

Der Viertelwellenstrahler ist eine Sonderform des Halbwellendipols. Hier wird nur ein Zweig des Halbwellendipols als Antennenstab verwendet. Die Funktion der anderen Hälfte als Gegenpol (Gegengewicht) wird durch eine elektrisch leitfähige Oberfläche oder durch mehrere abstehende Stäbe übernommen, an dem sich der Viertelwellenstab elektrisch „spiegelt“. Als Gegengewicht wirkt teilweise der Körper des Benutzers, der das Gerät in der Hand hält, bei KFZ-Antennen die gut leitende Karosserie und bei Funktelefonen und vielen Funkfernsteuerungen die gesamte Leiterplatte.

Hinsichtlich der Abstrahlcharakteristik und des Gewinns werden fast die Eigenschaften eines Halbwellendipols erreicht. Der Viertelwellendipol strahlt also in der oberen Hälfte wie ein Halbwellendipol im freien Raum. Bei gleichem Speisestrom ist deshalb die abgestrahlte Leistung gerade halb so groß wie beim Halbwellendipol. Folglich sind auch Strahlungswiderstand und Impedanz nur halb so groß: $ R_{\mathrm {s} }=36{,}6\,\Omega $.

Anwendung findet der Viertelwellendipol als Antenne für Handfunkgeräte, bei mobilen Geräten – unter anderem in Kraftfahrzeugen – und bei Funkdiensten.

Ganzwellendipol

Setzt man zwei gleichphasig schwingende Halbwellendipole gestreckt aneinander, entsteht ein sogenannter Ganzwellendipol. Am Speisepunkt in der Mitte liegen ein Stromknoten und gegenphasige Spannungsmaxima, so dass die Impedanz hoch ist (> 1 kOhm). Wie beim Viertelwellendipol halbiert sich die Impedanz, wenn die untere Hälfte durch das Spiegelbild der oberen an einer leitenden Fläche gebildet wird. Eine gängige Antennenimpedanz von 240 Ohm bildet sich ebenfalls durch Parallelschaltung von vier Ganzwellenstrahlern in einer Gruppenantenne.

Verkürzte lineare Antennen

Bei einer linearen Antennen mit einer Länge < λ/4 hat der Fußpunktwiderstand eine kapazitive Komponente. Die muss, z. B. durch Einfügen einer Induktivität, kompensiert werden; man spricht von einer Verlängerungsspule. Alternativ kann eine Kopfkapazität (eine Platte oder sternförmige Drähte/Stäbe) am offenen Ende verwendet werden. Vor allem Konstruktionen mit Verlängerungsspule haben einen recht geringen Wirkungsgrad. Trotzdem werden Verlängerungsspulen viel benutzt, weil sie leicht zu verwirklichen sind. Eine typische Antenne mit Kopfkapazität ist die T-Antenne.

Beispiele für Antennen mit Verlängerungsspulen sind die sogenannten Gummiwurst-Antennen an Handfunkgeräten, CB-Funk-Antennen mit Längen <3 m und fast alle Antennen in Funkfernsteuerungen unterhalb des 433-MHz-ISM-Bandes (λ/4 = 18 cm).

Auf niedrigeren Frequenzen als etwa 100 MHz ist der Wirkungsgrad einer Antenne nur für Sender wirklich wichtig. Bei reinen Empfangsantennen ist die entscheidende Frage, ob das gesamte Empfangssystem einen ausreichenden Signal-Stör-Abstand erreicht. Bei Antennen ohne starke Richtwirkung dominieren Umgebungsstörungen, das sogenannte atmosphärische Rauschen, nicht das Rauschen der Empfänger-Eingangsstufen. In diesem Fall sinken mit dem Wirkungsgrad sowohl das Signal als auch der Störpegel.

Wenn eine elektrische Antenne klein gegen die Wellenlänge ist, wirkt sie am Anschlusspunkt wie eine kleine Kapazität. Würde man so eine kurze Antenne direkt an das Antennenkabel anschließen, ergäbe sich ein kapazitiver Spannungsteiler: ca. 2 pF Antennenkapazität gegen etwa 100 pF zwischen Innen- und Außenleiter des Koaxkabels zum Empfänger. So lässt sich also kein hochwertiges Empfangssystem bauen.

Deshalb sind die heute üblichen Autoradio-Antennen in aller Regel aktive Antennen, d. h. sie bestehen aus einem kurzen Stab und einem Verstärker mit hochohmigem, kapazitätsarmem Eingang. Die früher üblichen ausziehbaren Antennen sind in Neufahrzeugen kaum noch zu finden. Im Prinzip reicht als Verstärker ein Impedanzwandler wie ein als Sourcefolger beschalteter Feldeffekttransistor. Da eine solche Antenne aber sehr breitbandig ist, betreibt man hier häufig mehr Aufwand^[7], um das Großsignalverhalten zu verbessern.

Die geringen Abmessungen einer Aktivantenne ermöglichen es auch, einen Aufstellungsort mit geringem Störnebel zu wählen – etwa im Vergleich zu einer 20 m langen Drahtantenne.

Langdrahtantenne

Bei einer Langdrahtantenne ist die Drahtlänge länger als die Wellenlänge λ. Die unter diesem Begriff zusammengefassten Antennenbauformen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Speisung und die Form der Verlegung des Strahlers. Mit zunehmender Länge nähert sich die Hauptstrahlrichtung der Antennenlängsrichtung symmetrisch an. Wird das von der Speisung entferntere Drahtende mit einem Abschlusswiderstand gegen Erde versehen, dann kann sich auf der Antenne keine stehende Welle ausbilden. Man spricht in diesem Fall von einer aperiodischen Antenne, die durch die auf dem Draht entlang laufende Wanderwelle ein besseres Vor-Rück-Verhältnis erhält.

Solche langen Antennen haben, besonders bei niedriger Aufhängung, einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Sie werden aber viel als Richtantennen für Empfangszwecke (Beverage-Antenne) genutzt.

Flächenantennen

Rechteckhornstrahler

Eine Aufzählung von Flächenantennen siehe unter Kategorie:Flächenantenne.

Der Begriff Flächenantennen (oder Flächenstrahler) bezeichnet Antennen, die im Gegensatz zu den linearen Antennen eine leitungsgeführte Welle an einer Flächenausdehnung (meistens eine Öffnung in einem Hohlleitersystem) in Freiraumwellen umwandeln und umgekehrt. Flächenstrahler werden bei Frequenzen oberhalb von etwa 1 GHz als Richtstrahler eingesetzt. Ein technisch einfaches Beispiel ist der Rechteckhornstrahler, bei dem ein Rechteckhohlleiter aufgeweitet wird bis die Öffnung in ihren Abmessungen groß gegenüber der Wellenlänge λ ist.

Aperturstrahler

Aperturstrahler sind Antennen, die über eine strahlende Öffnung (Apertur) elektromagnetische Energie abstrahlen oder aufnehmen. Je größer die Öffnung im Verhältnis zur Wellenlänge, desto stärker die Bündelung der Strahlung, siehe Rayleigh-Kriterium.

Aperturstrahler haben meistens die Form eines Hohlleiters, der sich allmählich zum Horn aufweitet. Dadurch bleibt die Feldverteilung der eingespeisten Welle weitgehend erhalten und der Übergang in den Freiraum ist nahezu reflexionsfrei.

Reflektorantennen

Als Reflektorantennen bezeichnet man Antennen, deren Ende entgegen der Strahlungsrichtung aus einer reflektierende Fläche besteht. Im einfachsten Fall ist das eine Yagi-Antenne, deren Rückseite z.B. aus einer Vielzahl von Reflektorstäben oder einer größeren metallischen Fläche besteht.

Sofern Reflektorflächen von mindestens 10 Wellenlängen Durchmesser praktikabel sind, sind Parabolantennen in aller Regel das Mittel der Wahl. Vergleichbare Antennengewinne lassen sich, wenn überhaupt, nur durch Gruppenantennen erreichen, die komplex aufgebaut sind.

Im Brennpunkt des parabolförmig gebogenen Spiegels sitzt der Primärstrahler. Das Strahlungsdiagramm dieser Antenne wird so gewählt, dass sie den Spiegel möglichst gut ausleuchtet, ohne darüber hinaus zu strahlen. Dafür eignen sich, je nach Frequenz, z.B. Hornstrahler oder kurze Yagi-Antennen.

Die Spiegel müssen keine geschlossenen Metallflächen sein, sondern dürfen Öffnungen von etwa 1/10 der Wellenlänge aufweisen; dadurch lassen sich der Fertigungsaufwand und die Windlast senken. Auch die Form der Fläche darf Abweichungen in dieser Größenordnung aufweisen.

Die Form des Spiegels kann im Prinzip einen beliebigen Teil des Parabols nutzen. So benutzen die meisten hier zulande benutzten Antennen für den Fernsehsatelliten-Empfang sogenannte Offsetantennen, bei denen der Brennpunkt neben dem Spiegel liegt und nicht davor. Diese Konstruktion hat den Nachteil eines etwas geringeren Gewinns, weil die Reflektorfläche schräg zum Satelliten steht. Dafür werfen der LNB und sein Halter keinen Schatten auf den Spiegel und der Schnee gleitet leichter ab.

Siehe auch:

• Satellitenschüssel, Radioteleskop, Corner-Antenne
• eine Aufzählung von Reflektorantennen siehe unter Kategorie:Reflektorantenne

Weitere Formen

Antennen-Bauformen, die sich nicht unter vorgenannte Typen einordnen lassen, sind z. B.:

• Wendelantennen (Abstrahlung in Richtung der Achse einer Draht- oder Streifenwendel, zirkulare Polarisation)
• Vivaldi-Antennen (zweidimensionaler Exponentialtrichter am Ende einer Schlitzleitung)
• Antennen, die durch Schlitze in Hohlleitern entstehen (Abstrahlrichtung quer oder längs zum Hohlleiter)
• Spiralantennen, Abstrahlung beidseitig senkrecht zu einer aus Streifenleitungen gebildeten Spirale, zirkular polarisiert
• Fraktalantenne
• Topfantenne
• Patchantennen und PIFA auf Leiterplatten
• T2FD (Bauform ähnlich einem Faltdipol, durch einen Abschlusswiderstand aber ohne Resonanzeffekte)
• Dielektrische Antennen für Mikrowellen

Gruppenantennen

Eine Aufzählung von Gruppenantennen siehe unter Kategorie:Gruppenantenne

Der Begriff Gruppenantenne (auch Antennenarrays genannt) bezeichnet Antennen, die aus einer Anzahl von Einzelstrahlern konstruiert sind, deren abgestrahlte Felder sich überlagern und durch konstruktive Interferenz zu einem gemeinsamen Antennendiagramm formen. Als Einzelstrahler können fast alle Antennenbauformen eingesetzt werden, also auch im Aufbau komplizierterer Antennen, wie zum Beispiel Yagi-Antennen.

Alle Einzelantennen befinden sich meist geometrisch in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung und müssen jeweils phasenrichtig zueinander gespeist werden. Satelliten-Empfangsantennen, die wie eine flache, meist rechteckige Fläche aussehen, sind typische Vertreter einer Gruppenantenne. Gruppenantennen kann man als den Spezialfall eines Phased Array betrachten, bei dem alle Antennen mit der gleichen Phasenlage angesteuert werden.

Phased Array

Eine Verallgemeinerung der Gruppenantenne ist das Phased-Array. Bei dieser Antennengruppe können die einzelnen Strahlerelemente oder Strahlergruppen mit unterschiedlicher Phasenlage und manchmal auch mit unterschiedlicher Leistung gespeist. So lässt sich das Richtdiagramm der Antenne rein elektronisch, also sehr schnell, ändern. Das wird z. B. für Radar-Anlagen benutzt.

Monopuls-Antenne

Eine Monopuls-Antenne wird bei modernen Radargeräten verwendet, um die Genauigkeit der Winkelmessung bei der Richtungsbestimmung sowie das Zeitbudget des Radars zu verbessern. Bei der Monopulsantenne werden die einzelnen Strahler in zwei Hälften (oder vier Quadranten für dreidimensionales Radar) aufgeteilt, deren Empfangsleistungen in einem Monopuls Diplexer sowohl summenbildend als auch differenzbildend verschaltet und in zwei bis vier identischen Empfangskanälen verarbeitet werden. Mit diesen Signalen kann ein Rechner die Position eines Zieles innerhalb des Peilstrahls bestimmen.

Unterscheidung elektrische/magnetische Antennen

Alle Antennenformen erzeugen sowohl elektrische als auch magnetische Felder; verkürzte Stabantennen verwenden primär die elektrische Feldkomponente zur Strahlungserzeugung. Sie sind durch ihre geometrische Form und Größe im Verhältnis zur jeweiligen Wellenlänge immer frequenzselektiv.

Magnetische Antennen verwenden dagegen primär ein Magnetfeld zur Strahlungserzeugung bzw. empfangen primär die magnetische Feldkomponente der elektromagnetischen Strahlung. Sie bestehen aus Spulen (im einfachsten Fall mit nur einer Windung), besitzen eine Richtwirkung (bei stehender Spule eine Achtcharakteristik) und können gegenüber der Wellenlänge sehr klein sein, indem die Spule aus mehreren Windungen besteht. Zu den Magnetantennen zählen auch die Rahmenantennen, aus einer drehbaren Spule bestehende Peilantennen und Ferritantennen, jedoch nicht induktiv verlängerte Antennen wie die „Gummiwurst“. Auch die Wendelantenne ist keine magnetische Antenne.

Eine Aufzählung findet sich unter der Kategorie Magnetische Antennen.

Sicherheitsbestimmungen beim Antennenbau

Blitzschutz

Werden Antennen im Freien an hohe Masten montiert, welche die Umgebung überragen, so müssen sie vor Blitzschlag geschützt werden. Die Vorschriften dazu sind im Baurecht des jeweiligen Landes oder Staates enthalten. Für Deutschland siehe das Merkblatt des ABB.^[8]

In diesem Zusammenhang siehe auch Erdungsmuffe.

Statik

Antennen bieten starkem Wind einen Widerstand, Windlast genannt. Die Antennen- und Mastkonstruktion muss diese zusätzlichen Kräfte aufnehmen können. Beim Errichten von Antennenanlagen muss diese Windlast, die in den Datenblättern von Antennenherstellern angegeben wird, bei der statischen Berechnung berücksichtigt werden.

Vereisung

Antennen, Mastkonstruktionen und Abspannungen können im Winter vereisen. Dabei können das Gewicht der Antennenkonstruktion und die Angriffsfläche für die Windlast erheblich vergrößert werden, sowie eine starke Dämpfung des Signals auftreten. Außerdem können durch herabfallende Eisbrocken Menschen verletzt werden. Deshalb sind beim Aufbau und Betrieb einer Antennenanlage mögliche Gefahren, die durch Vereisung entstehen können, zu berücksichtigen.

In Einzelfällen werden Teile der Antennenanlage auch geheizt, um die Leistungsverluste der Antenne im Winter zu kompensieren und einer Vereisung vorzubeugen. Eine andere Möglichkeit, einer Vereisung bis zu einem gewissen Grad vorzubeugen, sind hohle Antennenträger aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) mit glatter Außenoberfläche, in welche die Antennen eingebaut werden; oder durchgehende Kunststoffschalungen als Vorbau. Diese Techniken werden vor allem bei UHF-Fernsehsendern, manchmal aber auch bei VHF- und UKW-Sendern angewendet.

Antennensimulation

Neben der messtechnischen Bestimmung von Antennenparametern hat die Simulation von Antennen bzw. ganzer Antennensysteme samt in der Nähe befindlicher weiterer Einflussfaktoren (Masten, metallische Abspannseile usw.) per Computer an Bedeutung gewonnen. Die Rechnersimulation erlaubt eine hohe Genauigkeit, wenn es denn gelingt, die Antenne (und gegebenenfalls deren relevante Umgebung) auch genau in den Rechner zu „übernehmen“. Eine ausreichend genaue Modellierung einer Antenne im Rechner wirft aber meistens geringere Probleme auf als die messtechnische Erfassung und ist deshalb auch billiger. Insbesondere ab Frequenzen im UHF-Bereich und bei sehr kleinen Funkmodulen – z. B. für Nutzung in den ISM-Bänder – wird eine messtechnische Erfassung der Antennenimpedanzwerte deutlich ungenauer sein, als eine Simulation. Gleiches gilt auch für das Abstrahlverhalten bei harmonischen Frequenzen (sog. Oberwellen). Viele Computerprogramme für die Antennensimulation beruhen auf dem NEC2-Algorithmus (Numerical Electromagnetic Code), der ursprünglich für die US-amerikanischen Streitkräfte entwickelt wurde und frei zugänglich ist.

Mit Hilfe von modernen und handelsüblichen Antennensimulationsprogrammen kann man sowohl die Richtcharakteristik der Antenne für jede Polarisationsrichtung als auch die Antennenimpedanz bestimmen. Die Abstrahlcharakteristik kann für eine definierte Frequenz berechnet werden, die grundsätzlich komplexen Impedanzwerte können auch über einen gesamten und größeren Frequenzbereich angegeben werden. Bei der Abstrahlcharakteristik erhält man im Allgemeinen eine kugelförmige Falschfarbendarstellung mit entsprechenden Erhöhungen „Bergen“ und Vertiefungen „Tälern“. Weiterhin ist es häufig auch möglich, die Stromverteilung entlang der Antenne anzugeben, woraus man konstruktive Verbesserungen ableiten kann.

Bilder

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  Typische Breitbandantenne für EMV-Messungen

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  1,5 THz Spiralantenne (Durchmesser ca. 0,13mm)

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  Wurfantenne (zusammengerollter Faltdipol für UKW-Empfang).

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  Aktive Zimmerantenne für VHF- und UHF-Empfang

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  Rillenhornstrahler (Flächenantenne)

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  Gruppenantenne aus 6 Yagi-Antennen mit Kreuzdipol für Satellitenkommunikation.

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  Parabolantenne mit 2,70 m Durchmesser

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  Ferritantenne mit Spulensatz für Lang-, Mittel- und Kurzwelle

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  Rahmenantenne aus der Frühzeit des Radioempfangs

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  Installation eines Phased-Array Radars

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  Antennenspitze des Stuttgarter Fernsehturms

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  Parabolantenne des Wetterradars „Meteor 1500 S” in Adelaide (Australien)

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  VDF-Peilantenne der Deutschen Flugsicherung auf dem Deister bei Hannover

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  Dachantenne auf einem Fuchs-Panzer M93A1 „FOX“

Siehe auch

• Sendeantenne
• Richtcharakteristik, Richtantenne
• Antennenpaar, Antenna Diversity
• Rundfunk, Kurzwellenrundfunk
• Stehwellenverhältnis
• EIRP Effective isotropic radiated power
• Frequenzbänder
• DVB-T, Schmetterlingsantenne
• Laser Communication Terminal (optische Datenübertragung)
• MIMO (Multiple Input Multiple Output)
• Marconi-Antenne
• Momentenmethode (Elektrotechnik)
• Antennensplitter

Literatur

• Günther Grünbeck: Der Antennenbaukasten. Antennen, Zubehör und Messgeräte selbst gebaut (= Funk-Technik-Berater). Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden, 2003, ISBN 3-88180-394-7
• Albrecht Hock, Arastou Tscharmi: Antennenpraxis. Eine Einführung in die Welt der Antennen. Sehen, Erkennen und Verstehen. Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim, 1995, ISBN 3-8169-1150-1
• Paweł Kabacik: Reliable evaluation and property determination of modern-day advanced antennas Oficyna. Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004, ISBN ISBN 83-7085-765-5.
• Manfred Loidiller: Sicherheitsanforderungen für Antennen und Kabelnetze. VDE-Verlag, Berlin/Offenbach, 2005, ISBN 3-8007-2784-6
• H. Meinke, F. W. Gundlach: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Vierte Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1986, ISBN 3-540-15393-4
• Karl Rothammel: Rothammels Antennenbuch. Neu bearbeitet und erweitert von Alois Krischke. 12. aktualisierte und erweiterte Auflage. DARC-Verl., Baunatal 2001, ISBN 3-88692-033-X.
• Lothar Starke, Herbert Zwaraber: Praktischer Aufbau und Prüfung von Antennen- und Verteilanlagen. 14. Auflage. Hüthig, Heidelberg, 2002, ISBN 3-7785-2897-1
• Martin Gerhard Wegener: Moderne Rundfunk-Empfangstechnik. Franzis-Verlag, München, 1985, ISBN 3-7723-7911-7 und Yüce-Group, Istanbul, 1989, ISBN 975-411-058-1

Weblinks

Commons: Antennen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

• Bildersammlung von unterschiedlichsten Antennenbauformen

Einzelnachweise