Antennen

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Eine Antenne ist ein Element, das elektrische Energie in elektromagnetische Wellen umsetzt (Sendeantenne) oder umgekehrt (Empfangsantenne). Passive Antennen verhalten sich reziprok, zeigen also sowohl beim Senden als auch beim Empfang gleiche Eigenschaften. Aktive Antennen sind nicht reziprok, wegen der eingebauten Verstärkerelemente. Mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne kann man eine drahtlose Übertragungsstrecke aufbauen, bei der entweder Energie selber übertragen wird, oder aber die Energie moduliert wird und somit Information übertragen wird (Nachrichtentechnik).

Inhaltsverzeichnis

Antennen in Freifunk-Netzen

Um in Freifunk-Netzen teilnehmen zu können ist es oft notwendig größere Entfernungen zu überbrücken oder die Empfangs- und Sendequalität zu verbessern. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Antenne an den WLAN-Router oder das WLAN-Gerät am Computer angeschlossen wird: Siehe Hauptartikel WLAN-Antennen

Geschichte der Antenne

Erstmals bemerkte Luigi Galvani im 18. Jahrhundert, dass Froschschenkel bei Gewitter oder in der Nähe einer Elektrisiermaschine zuckten, wenn sie mit einem kurzen Stück Draht verbunden wurden. Systematische Untersuchungen gehen zurück auf den deutschen Physiker Heinrich Hertz, aufbauend auf den theoretischen Grundlagen des Engländers James Clerk Maxwell. Dem Italiener Guglielmo Marconi gelang 1896 erstmalig die drahtlose Telegraphie.

Prinzip

Die Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen ist mit der Beschleunigung von Ladungen verbunden, die ein wechselndes Dipolfeld erzeugen. Eine einfache Dipolantenne kann man sich als entarteten Schwingkreis aus Kondensator und Spule vorstellen: die Kondensatorplatten werden auseinander gezogen, um 180° zueinander verdreht und zu einem Leiter geformt; die Leiter übernehmen gleichzeitig die Funktion der Spule. Die Anordnung nennt man Hertzschen Dipol, wenn sie viel kleiner ist als die Wellenlänge λ der anregenden Wechselspannung. Sie ist für theoretische Überlegungen wichtig, da sich jede Antenne in kleine strahlende hertzsche Dipole zerlegen lässt. Wird der Kreis schnell genug angeregt, bilden sich geschlossene elektrische (E) Feldlinien, die das System mit Lichtgeschwindigkeit verlassen. Die senkrecht zum E-Feld verlaufenden Magnetfelder bilden geschlossene Kreise um den Leiter. Im Nahfeld nimmt die Feldstärke proportional zur dritten Potenz der Entfernung r ab. Im Fernfeld verringert sie sich lediglich proportional 1/r und ist deshalb auch in großen Entfernungen nachweisbar (sonst wären Sterne unsichtbar).Die elektromagnetische Strahlung von Antennen ist polarisiert (linear oder zirkular). Daher nimmt das Empfangssignal ab, wenn Empfangs- und Sendeantenne nicht die gleiche Polarisationsrichtung haben. Eine Antenne wirkt am besten, wenn sie auf die Wellenlänge abgestimmt ist, die sie empfangen oder senden soll. Eine stehende Welle auf der Antenne kann am besten abgestrahlt werden, wenn die Antenne eine Länge von λ/4 (Viertelwellenmonopol, z.B. Stabantenne an einem PKW) oder λ/2 (Halbwellendipol, z.B. Faltdipol einer Yagi-Antenne) besitzt. Die Stellen des geringsten Stroms (Stromknoten) liegen an den offenen Enden eines Halbwellendipols, da der Strom hier nicht weiter abfließen kann. Die Spannung auf der Antenne ist hingegen bei einem Dipol an den Enden am größten (Spannungsbauch). Strom und Spannung sind gegeneinander verschoben: an der Stelle eines Stromknotens ist ein Spannungsbauch, an der Stelle eines Strombauchs ist ein Spannungsknoten. Somit befindet sich beim Halbwellendipol ein Spannungsknoten (minimale Spannung) in der Mitte der Antenne, so dass der Halbwellendipol in der Mitte niederohmig gespeist werden kann. Nach der Beziehung R=U/I (Ohmsches Gesetz) ist der Widerstand der Antenne (richtiger: die Impedanz der Antenne) an dieser Stelle deshalb niedrig. Tatsächlich kann man einen Halbwellendipol ohne Einschränkung seiner Funktion in der Mitte leitend mit einem geerdeten Tragrohr oder Mast verbinden, was für den Blitzschutz sogar vorteilhaft ist. Ein Ganzwellendipol besteht aus zwei λ/2-Dipolen, die an den Enden (und damit) hochohmig gespeist werden. Die Handhabung der damit einhergehenden hohen und hochfrequenten Spannung kann bei Sendeantennen konstruktive Probleme aufwerfen, z.B. bei der Wahl geeigneter Werkstoffe und deren mechanischer Anordnung. Im Gegensatz zu den beschriebenen Dipolen, die eigentlich nur bei einer einzigen Frequenz resonant sind, gibt es die aperiodischen Antennen, bei denen sich Wanderwellen (im Gegensatz zu stehenden Wellen) auf der Antennenstruktur ausbilden. Man braucht solche aperiodischen Antennen für breitbandige Anwendungen, die einen großen Frequenzbereich abdecken.

Antennenparameter

Verschiedene Parameter charakterisieren eine Antenne.

Die Impedanz einer Antenne gibt den komplexen Widerstand an, der bei der verwendeten Frequenz an den Anschlussklemmen gemessen werden kann. Maßeinheit: Ohm. Ein λ/2-Dipol hat, wenn er nicht durch seine Umgebung beeinflusst wird (also im sog. Freiraum), eine Impedanz von 73 Ohm. In der Unterhaltungselektronik (z.B. für den terrestrischen Fernsehempfang) sind die Antennen für eine Impedanz von 75 Ohm ausgelegt. Professionelle (kommerzielle) Antennen, zB. für die Labormesstechnik, haben eine auf die dort üblichen Anschlusskabel abgestimmte Impedanz von 50Ω.

Der Wirkungsgrad gibt an, welchen Anteil der aufgenommenen Leistung die Antenne als elektromagnetische Strahlung abgibt. Zum Testen einer Sendeanlage dient eine sogenannte künstliche Antenne mit dem Wirkungsgrad η von 0. Maßeinheit: %

Der Antennengewinn gibt an, wie viel Leistung eine Antenne in ihrer Hauptrichtung, bezogen auf eine Vergleichsantenne, abgibt oder empfängt. Je kleiner der Öffnungswinkel, desto höher der Gewinn. Maßeinheit: dBd bzw. dBi

Das Vor-Rück-Verhältnis (VRV) gibt an, wieviel die Antenne nach hinten oder von hinten sendet/empfängt. Es muss z.B. möglichst hoch sein, wenn ein starker Sender von hinten den Empfang eines schwachen von vorn stören könnte.

Der Öffnungswinkel ist der Winkel der Vorzugskeule im Richtdiagramm einer Antenne, bei dem das Signal auf die Hälfte abfällt. Maßeinheit: °

Die Bandbreite gibt den Frequenzbereich maximaler Empfindlichkeit der Antenne an, meist bezogen auf einen Abfall von 3dB.

Bandbreite und Öffnungswinkel können zusammengefasst werden zu einem 3 dimensionalen Bereich im Wellenvektor-Raum, k-Raum, Fourier-Raum (oder wie er auch gerade genannt wird) in dem die Impedanz der Antenne dem Empfänger / Sender angepasst ist. Bei einem Flugzeug oder Auto müssen viele Bereich dieses k-Raums den verschiedenen Instrumenten (Abstandsradar, Bodenradar, Mobiltelefon, AM-Radio, FM-Radio, GPS, Funk-Bojen, Sprechfunk, Satelliten-Internet) zugeordnet werden.

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 etc.) im Computer an Bedeutung gewonnen. Die Rechner-Simulation erlaubt eine hohe Genauigkeit, wenn es denn gelingt, die Antenne (und ggf. deren relevante Umgebung) auch genau in den Rechner zu "übernehmen". Eine ausreichend genaue Modellierung einer Antenne im Rechner wirft aber meist geringere Probleme auf als die messtechnische Erfassung, und ist deshalb auch billiger. 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.

Antennen-Bauformen

Grundsätzlich ist eine Empfangsantenne auch zum Senden geeignet und umgekehrt (Reziprozitätsgesetz). Die Bauform verhindert meist einen wechselseitigen Einsatz, beispielsweise durch die begrenzte elektrische Belastbarkeit oder die Verschaltung elektrischer Vorverstärker. Da sich die Größe der Antennenelemente an der der Wellenlänge orientiert, ist die Frequenz ein wichtiges Kriterium für den Aufbau einer Antenne.

Die Auswahl sortiert die Antennen nach ihrem Bauprinzip :

Dipolantennen

  • Einfache Dipolantennen
    • T-Antenne
    • L-Antenne
    • Marconi-Antenne
    • Faltdipol
    • Schlitzantenne
    • Patchantenne
    • Schmetterlingsantenne
    • Fraktalantenne
    • logarithmisch periodische Antenne (LPA)
  • Mehrfach-Dipolantennen
    • Yagi-Antenne (eigentlich Yagi-Uda-Antenne)
    • Quadantenne
    • Reusenantenne
    • phasengespeiste Antennen-Arrays (Gruppenantenne)
    • Langdrahtantenne, Länge größer λ/2
    • Relingantenne
    • Beverage-Antenne
    • Bodendipol
    • Schrägdrahtantenne

Spiegelantennen

  • Parabolantenne
  • Offsetparabolantenne
  • Cassegrain-Antenne
  • Gregory-Antenne
  • große Hornantenne (eine Begrenzungswand ist ein Spiegelsegment)

magnetische Antennen (magnetischer Loop)

  • Ferritantenne
  • Isotronantenne
  • Rahmenantenne

Sonstige Antennen: HB9CV-Antenne, Backfireantenne, Vorhangantenne, Delta-Loop, Slooper

Weitere Bauformen:

  • Wendelantenne
  • Mastantenne
  • Schirmantenne
  • Alexanderson-Antenne
  • Richtstrahlantenne
  • Schwundmindernde Antenne
  • Wullenweber-Kreisantennenanlage

Antennen werden außerdem unterschieden in:

  • Feststationsantennen / Stationsantennen, wenn diese fest an einem Ort befestigt sind (meist auf einem Mast)
  • Mobilantennen für den Betrieb in Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen
  • Portabelantennen für den Betrieb an Handfunkgeräten

Anmerkungen

  • Tscherenkow-Licht ist ein weiteres Beispiel für die Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen. Ausgelöst wird sie durch Ladungsverschiebungen, die hochenergetische Partikel in Festkörpern oder Flüssigkeiten erzeugen. Die Anregungsfrequenzen sind so hoch, dass die Strahlung auch als sichtbares Licht ausgestrahlt wird.
  • Nach dem Atommodell der klassischen Physik umkreisen negativ geladene Elektronen den Atomkern. Danach würde die Bahnbeschleunigung ein wechselndes Dipolfeld erzeugen, wodurch Atome ständig Energie in Form elektromagnetischer Wellen verlieren würden. Erst die Quantenmechanik fand mit der Einführung diskreter Energieniveaus eine Erklärung für die Stabilität von Atomen.
  • Jede beschleunigte elektrische Ladung erzeugt elektromagnetische Strahlung: z.B. Synchrotronstrahlung, Röntgenröhre, Freie-Elektronen-Laser (FEL)

Siehe auch

Literatur

  • Karl Rothammel, Antennenbuch, Frankh Verlag Stuttgart, 9. Auflage 1988, ISBN 3-440-05853-0
  • Albrecht Hock, Arastou Tscharmi, Antennenpraxis Expert-Verlag, Dezember 1995, ISBN 3816911501
  • Günther Grünbeck, Der Antennenbaukasten, Juli 2003, ISBN 3881803947
  • Lothar Starke und Herbert Zwaraber, Praktischer Aufbau und Prüfung von Antennen- und Verteilanlagen, Hüthig Verlag, Juli 2002, ISBN 3778528971

Weblinks