Antenne (Funktechnik)

Eine Antenne ist ein elektrische und magnetische Felder zulassender Leiter und dient zum Empfangen oder Senden von elektromagnetischen Wellen. 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]. Eine Sendeantenne wandelt elektromagnetische, leitungsgebundene Wellen in Freiraumwellen um, die eine Empfangsantenne wieder in leitungsgebundene elektrische Wellen zurückwandelt.

Sendeantenne für den Mittelwellensender des AFN in Ditzingen-Hirschlanden
Kurzwellenantenne Moosbrunn bei Wien

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Im Jahre 1893 begann der in Kroatien geborene Serbe Nikola Tesla Experimente mit verschiedenen Hochfrequenzoszillatoren und konnte bereits Ende 1896 [3] 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. Systematische Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften von Antennen gehen zurück auf den deutschen Physiker Heinrich Hertz, die auf den theoretischen Grundlagen des Engländers James Clerk Maxwell aufbauten.

Mit einer Drachenantenne in 100 m Höhe überbrückte Marconi 1901 den Atlantik. 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 US-Gerichtshof der Vereinigten Staaten, entschieden, dass Tesla der eigentliche Vater des Radios sei.

Prinzip

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

Elektromagnetische Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich im Raum ausbreiten. Die Erzeugung der elektromagnetischen Wellen kann mit einem elektrischen oder einem magnetischen Wechselfeld erfolgen, die sich ausbreitende Welle besteht immer aus einer Kombination von beiden. Eine exakte physikalisch-mathematische Beschreibung liefern die Maxwellschen Gleichungen bei vorgegebenen Randbedingungen. In der Praxis berechnet man die Abstrahlung der Energie durch Näherungsverfahren.

Reziprozität

Reziprozität oder Umkehrbarkeit ist gegeben, wenn in einer Anordnung die Position von Ursache und Wirkung miteinander vertauscht werden können, ohne dass die Verknüpfung zwischen Ursache und Wirkung sich ändert. Antennen sind grundsätzlich reziprok. Sie zeigen sowohl beim Senden als auch beim Empfang gleiche Eigenschaften. 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 z. B. Ferrite nicht entsprechend ausgelegt sind. Weitere Probleme mit der Reziprozität treten bei vermeintlichen Breitbandantenne z. B. LPDA auf, wenn sie extrem breitbandige Signale (UWB) bedienen sollen.

Funktionsprinzip

Entstehung einer Dipolantenne aus einem Schwingkreis

Die Entstehung einer Antenne als Resonanzgebilde erläutert die Grafik anhand einer Dipolantenne. Eine einfache Dipolantenne erzeugt bzw. empfängt sowohl elektrische, als auch dazu senkrecht stehende magnetische Felder. Man kann sie sich als entarteten Schwingkreis aus Kondensator und Spule vorstellen: 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), die das System mit Lichtgeschwindigkeit verlassen. Die senkrecht zum E-Feld verlaufenden Magnetfelder bilden geschlossene Kreise um den Leiter (in der Animation rot). Im Nahfeld nimmt die Feldstärke proportional zur dritten Potenz der Entfernung r ab. Im Fernfeld verringert sie sich lediglich proportional 1/r. Die Leistungsdichte der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen ist dem Produkt aus elektrischer und magnetischer Feldstärke proportional und nimmt daher mit 1/r² ab (Abstandsquadratgesetz).

Die Orientierung der abgestrahlten elektrischen Feldlinien gegenüber der Erdoberfläche heißt Polarisation. Ist die Orientierung zeitlich unverändert, spricht man von linearer horizontaler oder linearer vertikaler Polarisation. Hierbei wird lediglich die Orientierung des E-Feldes berücksichtigt. Ist die Stärke des elektrischen Feldes zeitlich konstant, die Richtung der Feldlinien jedoch zeitabhängig, so liegt zirkulare Polarisation vor (linksdrehende oder rechtsdrehende zirkulare Polarisation). Wenn Empfangs- und Sendeantenne nicht die gleiche Polarisationsart und -richtung haben, wird die Signalübertragung stark gedämpft.

Eine Antenne wirkt prinzipiell am besten, wenn sie auf die Wellenlänge abgestimmt ist, die sie empfangen oder senden soll. Man nennt das wie beim Schwingkreis und anderen schwingungsfähigen Gebilden: Resonanz. Die Resonanzfrequenz wird durch die Abmessungen der Antenne bestimmt. Durch spezielle konstruktive Maßnahmen kann man erreichen, dass der Fußpunktwiderstand über einen großen Frequenzbereich weitgehend konstant bleibt und somit ein breites Frequenzband übertragen werden kann (Breitbandantennen).

Antennenparameter

Verschiedene Parameter charakterisieren eine Antenne:

Antennenparameter

Strahlungswiderstand

Der Strahlungswiderstand Rs einer Antenne ist eine formale Größe, die den Zusammenhang zwischen dem Antennenstrom I0 im Speisepunkt (an den Anschlussklemmen) und der im Wellentyp gewandelten Leistung \overline{P}beschreibt.


\overline{P} = \frac{{{\hat I}_0}^2 \cdot R_\mathrm{s}}{2} \,

beziehungsweise


R_\mathrm{s} = \frac{2 \overline{P}}{{{\hat I}_0}^2} \,

Der Strahlungswiderstand wird allgemein auf das Strommaximum bezogen und dann als Rs,max bezeichnet.

Impedanz

Die Impedanz (oder Fußpunktwiderstand oder Eingangswiderstand) einer Antenne gibt den komplexen Widerstand an, der bei der verwendeten Frequenz an den Anschlussklemmen gemessen werden kann. Die Maßeinheit der Impedanz ist Ohm [Ω].

Ersatzschaltbild zur Impedanz

Der Eingangswiderstand wird durch Reihenschaltung des Strahlungswiderstandes RS mit dem Verlustwiderstand RV und dem Blindwiderstand (Reaktanz) jX gebildet. Beim Halbwellendipol ist der Blindwiderstand im Resonanzfall gleich Null. In der Umgebung der Resonanzfrequenz ändert der Blindwiderstand sein Vorzeichen. Für eine ausreichende Kompensation wird der Dipol mit einem verstimmten Schwingkreis beschaltet, dessen Blindwiderstand beim Durchgang durch die Resonanzfrequenz das jeweils andere Vorzeichen annimmt. Ein λ/2-Dipol hat, wenn er nicht durch seine Umgebung beeinflusst wird (also im sog. Freiraum) und wenn er in seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, eine Impedanz von 73,2 Ω. 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. Um die Impedanz der Antenne auf die Impedanz des Kabels und des Generators anzupassen, werden Impedanzwandler oder Resonanztransformatoren eingesetzt.

(siehe auch endgespeistes Dipol)

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 wirklich abgestrahlter Leistung zur zugeführten Gesamtleistung wird als Wirkungsgrad einer Antenne ηA bezeichnet.


\eta_\mathrm{A} = \frac{\text{Nutzleistung}}{\text{Nutzleistung + Verlustleistung}} \cdot 100\,%

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}} \cdot 100\,% = \frac {R_\mathrm{S}}{R_\mathrm{S} + R_\mathrm{V}} \cdot 100\,%

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

Richtfaktor

Mit Ausnahme des Kugelstrahlers hat jede Antenne eine Vorzugsrichtung, in der mehr Energie abgestrahlt wird, als in andere Richtungen. Sie bündelt also die abgestrahlte Energie in eine Richtung. In einem Antennendiagramm kann die Größe der Bündelung einer Antenne in bestimmten Winkelbereichen abgelesen werden. Als Maß für die Stärke dieser Bündelung wird der Richtfaktor D genutzt:


D = \frac{\text {Maximale Strahlungsdichte einer Antenne}}{\text {Strahlungsdichte eines Kugelstrahlers}} \,

Gegenüber einem Kugelstrahler ist der Richtfaktor D ein Wert, um wie viel stärker die betrachtete Antenne in ihrer Hauptrichtung abstrahlt. Hierbei wird jeweils die gleiche Polarisation zugrunde gelegt.

Antennengewinn

Das Verhältnis der maximalen Strahlungsdichte einer Antenne mit einer Vorzugsrichtung zu der Strahlungsdichte einer idealisierten Vergleichsantenne, die möglichst ungerichtet (isotrop) sendet, wird Antennengewinn genannt. Der Richtfaktor einer Antenne und der Antennengewinn bedingen einander gegenseitig. Je kleiner der Öffnungswinkel einer Antenne ist, desto höher ist ihr Gewinn. Beim Antennengewinn wird die maximale Strahlungsdichte einer Antenne mit der Strahlungsdichte eines verlustfreien Kugelstrahlers verglichen:


G = \eta_\mathrm{A} \cdot D = \frac{\text {Maximale Strahlungsdichte einer verlustbehafteten Antenne}}{\text {Strahlungsdichte eines verlustfreien Kugelstrahlers}} \,

Für verlustfreie Antennen A = 1) stimmen Richtfaktor und Antennengewinn überein.

Die Größe des Antennengewinns ist wie der Richtfaktor eine relative Zahlenangabe und wird vorwiegend in dem logarithmischen Maß Dezibel angegeben. Weil aber unterschiedliche Vergleichsantennen zugrunde liegen können, wird noch unterschieden in dBd (Bezug: Dipolantenne) und dBi (Bezug: Isotropstrahler). Grafisch anschaulich werden die Parameter in einem Antennendiagramm dargestellt, in dem auch weitere Antennenparameter ablesbar sind.

Absorptionsfläche (Wirkfläche)

Eine Empfangsantenne entnimmt aus einer ebenen Wellenfront Energie. Sie ist proportional zur Fläche eines Aperturstrahlers.

Die Wirkfläche, Absorptionsfläche oder wirksame Antennenoberfläche AW 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. Über die am Empfangsort vorhandene Leistungsdichte (Strahlungsleistung pro Flächeneinheit) kann der entnommenen Energie eine Fläche zugeordnet werden. Die Absorptionsfläche eines λ/2- Dipols beträgt beispielsweise:


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

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} \,

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 Größe der Antennenelemente richtet sich nach der Wellenlänge, daher ist die Frequenz ein wichtiges Kriterium für Auswahl und Aufbau einer Antenne.

Beispiele von Antennen
  • Bezugsantennen
  • Lineare Antennen
  • Flächenantennen
  • Reflektorantennen
  • Gruppenantennen
  • Magnetische Antennen

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:

Nach Anwendung können Antennen auch unterschieden werden in:

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

Lineare Antennen

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

Siehe auch unter Kategorie:Lineare Antenne

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 z. B. 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, / pi-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. Beträgt die Strahlerlänge die Hälfte der Wellenlänge λ, befindet sich genau ein Strommaximum in der Mitte. Befindet sich dort der Speisepunkt (ein sogenannter Halbwellendipol ist hierzu an dieser Stelle aufgetrennt!), ist dieser niederohmig (75 Ohm). Setzt man zwei Halbwellendipole gestreckt aneinander, entsteht ein sogenannter Ganzwellendipol. Dessen zwei Strahlerelemente werden an den einander zugewandten Enden (d. h. an den inneren Spannungsmaxima der Elemente) gespeist, folglich ist deren Impedanz hoch (ca. 1000 Ohm). Eine breitbandigere Form ist der Flächendipol, auch er zählt zu den linearen Antennen.

Verkürzte lineare Antennen

Lineare Antennen mit einer Länge, die wesentlich kleiner als ein Viertel der Wellenlänge λ ist, müssen durch Einfügen einer Induktivität im oder in der Nähe des Speisepunktes elektrisch verlängert werden, um resonant zu werden (Verkürzter Strahler). Andernfalls liegt eine reale und imaginäre Fehlanpassung an die Speiseleitung vor. Auch zusätzliche Kapazität (eine Platte oder sternförmige Drähte/Stäbe) am Ende des verkürzten Elementes kann zur Anpassung dienen. So verkürzte lineare Antennen haben einen kleineren Antennengewinn und oft aufgrund höherer Verluste auch einen kleineren Wirkungsgrad.

Beispiele sind die sogenannten Gummiwurst-Antennen an Handfunkgeräten, CB-Funk-Antennen mit Längen <3 m und fast alle Antennen in Funkfernsteuerungen. Früher besaßen auch Röhrenradios eingebaute, derartig verkürzte UKW-Antennen.

Halbwellendipol

Die Länge eines Halbwellendipols ist gleich der halben Wellenlänge λ. Im Speisepunkt (dort ist er aufgetrennt) liegt ein Strommaximum und ein Spannungsminimum. Der Halbwellendipol hat daher eine niedrige Impedanz von 73,2 Ω. Als Beispiel siehe Dipolantenne. 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. Da dort nun nur der halbe Strom fließt, vervierfacht sich beim Faltdipol die Impedanz des Speisepunktes auf ca. 240–300 Ohm. Der Vorteil des Faltdipoles ist dessen mögliche geerdete Befestigung am Antennenträger sowie früher die Verwendbarkeit preiswerter symmetrischer Speiseleitungen (Zweidrahtleitung).

Viertelwellendipol

Der Viertelwellendipol 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“. Somit werden hinsichtlich der Abstrahlcharakteristik und des Gewinns fast die Eigenschaften eines Halbwellendipols erreicht. 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. Der Viertelwellendipol strahlt nur in der oberen Hälfte wie ein Halbwellendipol im freien Raum. Die Strahlungsleistung wird nur in dem oberen Halbraum erzeugt, das Spiegelbild trägt nichts zur Strahlungsleistung bei. Bei gleichem Speisestrom ist deshalb die abgestrahlte Leistung nur halb so groß wie beim Halbwellendipol. Der Strahlungswiderstand und folglich auch die Impedanz im Speisepunkt ist demnach auch nur halb so groß: R_\mathrm{s} = 36{,}6\,\Omega.

Anwendung findet der Viertelwellendipol als Antenne für Handfunkgeräte, bei mobilen Geräten u. a. in Kraftfahrzeugen und bei Funkdiensten.

Ganzwellendipol

Bei einem Ganzwellendipol ist die Wellenlänge λ gleich der Strahlerlänge. Die Speisung erfolgt auch hier an einer Auftrennung in der Mitte. Dort liegt jedoch ein Spannungsmaximum: Beide Strahlerelement-Hälften schwingen gleichphasig wie Halbwellendipole, so dass am Speisepunkt eine gegenphasige Spannung auftritt. Der Ganzwellendipol besitzt daher eine sehr hohe Impedanz der Speisepunkte (> 1 kOhm), daher verwendet man Ganzwellenstrahler oft in Gruppenantennen bzw. Antennenarrays, bei denen z. B. vier Ganzwellenstrahler parallel geschaltet werden, so dass sich eine gängige Antennenimpedanz von 240 Ohm bildet.

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 entlanglaufenden Wanderwelle ein besseres Vor-Rück-Verhältnis erhält.

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 genannt) elektromagnetische Energie abstrahlen oder aufnehmen. Aperturstrahler haben meistens die Form eines Hohlleiters.

Beim Hornstrahler bleibt durch die allmähliche Aufweitung des Hohlleiters die Feldverteilung der eingespeisten Welle weitgehend erhalten und der Übergang in den Freiraum ist nahezu reflexionsfrei. Je länger der Hornstrahler ist, desto stärker ist die Bündelung der Strahlung.

Reflektorantennen

Um sehr lange Bauformen von Hornstrahlern, Wendelantennen oder Yagiantennen zu vermeiden, werden nach dem Vorbild optischer Elemente Reflektoren (Spiegel) verwendet, um eine große Öffnungsfläche mit ebener Phasenfront zu erzeugen. In Parabolantennen werden Parabolspiegel eingesetzt, in deren Brennpunkt entweder ein kurzer Hornstrahler oder bei koaxialer Speisung ein Dipol mit Reflektor oder eine kurze Wendel- oder gewölbte Spiralantenne angebracht ist. Die Spiegel müssen keine geschlossenen Metallflächen sein, sondern dürfen Öffnungen von etwa 1/10 der Wellenlänge aufweisen; dadurch lässt sich der Fertigungsaufwand und die Windlast senken.

Was Gewinn und Richtcharakteristik angeht, sind Parabolantennen erst ab einem Durchmesser vom 8-fachen der Wellenlänge einem Hornstrahler überlegen.

Bei der Corner-Antenne (auch Winkelreflektor-Antenne) besteht der Reflektor aus zwei Flächen (Stäbe, Gitter oder Blech).

Siehe auch Satellitenschüssel, Radioteleskop.

(eine Aufzählung von Reflektorantennen siehe unter Kategorie:Reflektorantenne)

Weitere Formen

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

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 Einzel-Antennen befinden sich meist geometrisch in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung und müssen jeweils phasenrichtig zueinander gespeist werden.

Phased Array

Hauptartikel: Phased-Array-Antenne

Eine Sonderform der Gruppenantennen ist die Phased-Array-Antenne. Bei dieser Antennengruppe werden die einzelnen Strahlerelemente oder Strahlergruppen mit unterschiedlicher Phasenlage und manchmal auch mit unterschiedlicher Leistung gespeist. Ziel dieser komplizierten Technik ist eine wartungsfreie elektronische Schwenkung des Antennendiagramms.

Monopuls-Antenne

Hauptartikel: Monopuls-Antenne

Eine Monopuls-Antenne wird bei modernen Radargeräten verwendet, um die Genauigkeit der Winkelmessung bei der Richtungsbestimmung zu verbessern. Bei der Monopulsantenne werden die einzelnen Strahler in vier Quadranten aufgeteilt, deren jeweilige Empfangsleistung sowohl summenbildend, als auch differenzbildend verschaltet 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. Hierunter zählen 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.

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 kann das Gewicht der Antennenkonstruktion und die Angiffsläche für die Windlast erheblich vergrößert werden. 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.

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 i. a. 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

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 83-7085-765-5 (PDF)
  • 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: Antennenbuch. 9. Auflage, Frankh, Stuttgart 1988, ISBN 3-440-05853-0
  • 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

Quellen

  1. [1] THz-Empfangs.- und Sendeantennen
  2. [2] 1,5THz Astronomie
  3. Zitate aus dem www: Nikola Tesla – Erfinder, Wissenschaftler und Phantast

Siehe auch

Weblinks


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