Antennen

Eine Antenne ist ein Wandler für eine elektromagnetische Welle zwischen einer Leitung und dem freien Raum. Antennen empfangen elektromagnetische Wellen und senden bzw. strahlen sie ab. Angeschlossen wird die Antenne wie ein Zweipol. Der Prinzipaufbau ist aber ein Vierpol, wobei zwei Pole keine feste physikalische Verbindung haben. Stattdessen befinden sie sich im freien Raum.

Die Seite, die sich im freien Raum befindet steht unter starkem Einfluss ihres Umfeldes, das auf die Antenneneigenschaften einwirken kann.
Im Prinzip ist jeder Draht eine Antenne oder kann leicht modifiziert dazu verwendet werden. Das ist deshalb einleuchtend, weil jede Antenne aus Metall besteht.

Wie funktioniert eine Antenne?

Die Antenne ist der wichtigste Bestandteil einer Funkverbindung. Sie ist die Schnittstelle zwischen dem Sender bzw. Empfänger und dem Übertragungsmedium, dem freien Raum, der als Ausbreitungsmedium bezeichnet wird. Die Antenne hat die Aufgabe das Hochfrequenzsignal als elektromagnetische Welle in die Umgebung auszukoppeln bzw. einzukoppeln.

Eine Antenne ist ein offener Schwingkreis.

Wegen dieser gewagten Behauptung und auf Rücksicht vor unwissenden Lesern will ich einen Schritt zurück gehen und mich vom Schwingkreis zur Antenne vorarbeiten. Weil es hier um die Antenne und nicht um den Schwingkreis geht, gibt es nur eine kurze Einführung in den Schwingkreis.
Jeder Schwingkreis hat einen induktiven und einen kapazitiven Anteil, wie man es von elektrischen Bauelementen Kondensator und Spule kennt. Exemplarisch kan man sich eine Parallelschaltung aus Kondensator C und Spule L vorstellen. Im Schwingkreis wandert die Energie vom Kondensator in die Spule und wieder zurück. Dabei entsteht im Kondensator ein elektrisches, in der Spule ein magnetisches Feld. Die Felder wechseln sich periodisch ab.

Aufgrund des geringen Kondensator-Plattenabstands ist die Außenwirkung des elektrischen Feldes gering. Im Gegenteil, das elektrische Feld befindet sich innerhalb des Kondensators. Wird der Plattenabstand vergrößert, wird auch das elektrische Feld nach außen wirksam.

Öffnet man den Schwingkreis auf einen gestreckten Leiter, so hat man einen offenen Schwingkreis. Wie der geschlossene Schwingkreis hat auch der offene Schwingkreis eine Eigenresonanzfrequenz, mit der das elektrische und das magnetische Feld wechselt.

Führt man in der Mitte des Leiters Energie zu, so erhält man die einfachste Antenne, den Dipol.
Wird der Kondensator C-C' von einer Signalquelle aufgeladen, entsteht ein elektrisches Feld. Wenn die Ladung beendet ist, verteilt sich die Energie des elektrischen Feldes in seiner Umgebung. Ändert sich die Stromrichtung der Signalquelle, wandert ein Teil der Energie wieder in die Signalquelle zurück. Diese Energie wird in der Induktivität (Spule) gespeichert. Der andere Teil der Energie wird zur magnetischen Feldenergie, die durch den Entladestrom durch den Leiter aufgebaut wird. Dieser Teil wird abgestrahlt.
Während einer Periode strahlt die Antenne abwechselnd elektrische und magnetische Energie ab. Den Vorgang, bei dem die Richtung der Felder periodisch wechseln nennt man Wellenvorgang.

Der Dipol

Die einfachste Antenne, der Dipol, besteht aus zwei Drähten. Häufig findet man diese Art der Antenne bei UKW-Tunern als Wurfantenne. Durch den ungeschirmten Draht fließt Strom. Dabei entsteht ein Magnetfeld. An den Spitzen der Drähte bauen sich Ladungen auf und erzeugen ein elektrisches Feld. Magnetisches und elektrisches Feld strahlen abwechselnd in den freien Raum.

Der Dipol ist Teil fast jeder Antenne. Genau genommen handelt es sich um den Λ/2-Dipol (Lamda/2). Das elektrische Feld (E) wird durch die Spannung U, das magnetische Feld H wird durch den Strom I erzeugt. Die Verteilung der Amplituden des elektrischen und magnetischen Feldes, entsprechend der Spannungs- und Stromverteilung auf den Dipol.

Antennenformen

Rundumstrahlende Antennen

Rundum-Antennen oder Rundumstrahl-Antennen strahlen die elektromagnetischen Wellen gleichmäßig in alle Richtungen ab. Dabei sollte die Antenne vertikal stehen.

Richtantennen

Richtantennen bündeln die Energie und strahlen die elektromagnetischen Wellen in eine bestimmte Richtung ab. Der Nachteil von Richtantennen ist, dass man sie genau auf die Gegenstelle ausrichten muss. Der Vorteil ist, dass die Reichweite des Funksignals größer ist.

Sektorantennen

Sektorantennen zählen zu den Richtantennen. Sie weisen einen etwas größeren Öffnungswickel auf. Meist ist es so, dass man mehrere Sektorantennen an einem Standort anbringt und sie so anordnet, dass sie verschiedene Richtungen ausleuchten.

Antennengewinn

Der Antennengewinn hat etwas mit der Qualität der Abstrahlung zu tun. Ein Rundumstrahler, der die elektromagnetischen Wellen einfach in alle Richtungen verteilt, hat keinen Gewinn. Ist die Rundstrahl-Charakteristik flacher, dann stellt sich ein Gewinn ein. Je flacher sie ist, desto größer der Gewinn.
Bei Richtantennen ist es ähnlich. Je besser sie die Energie bündeln, desto zielgerichteter strahlt die Antenne die elektromagnetischen Wellen ab. Aber, damit sich hier ein Gewinn einstellt muss die Antenne auf die Gegenstelle genau ausgerichtet sein.
Prinzipiell gilt, je mehr Gewinn eine Antenne hat, desto mehr Kabellänge kann man sich an der Antenne leisten. Je besser ein Kabel ist, desto länger darf das Kabel sein.

Stecker und Kabel

Antennen sind nicht immer direkt am Sender oder Empfänger angeschlossen. Meist ist dazwischen noch ein Stück Kabel und mehrere Steckverbindungen. Jedes Kabel und jede Steckverbindung dämpfen das Signal. Man rechnet in der Regel von 0,2 dB Dämpfung pro Steckverbindung. Jeder Adapter von einer Steckverbindung auf eine andere hat zwei. Deshalb rechnet man mit 0,4 dB Dämpfung.

Welche Probleme gibt es mit Antennen?

Viele Antennen sind sehr empfindlich. Dazu gehören auch die Anschlussstecker und Kabelzuführungen. Hohe Frequenzen erfordern hohe Fertigungspräzision bei der Antenne und deren Komponenten. Für gute Übertragungseigenschaften ist deshalb ein sorgsamer Umgang mit Antennen notwendig. Lüsterklemmen, kalte Lötstellen und Ähnliches haben auf dem Weg von Antenne zum Verstärker bzw. umgekehrt nichts verloren.