Antennentypen und Parameter

Warum haben wir unterschiedliche Antennentypen?

Weil es so viele Anwendungen mit Funk gibt. Die Art, wie Funkwellen übertragen werden sollten, variiert entsprechend der Anforderungen der Anwendung. Das macht die Antenne zu einer entscheidenden Komponente in jedem Kommunikationssystem. Deswegen ist es wichtig, dass der Anwender den richtigen Antennentyp auswählt. Es macht keinen Sinn, in ein leistungsstarkes Funksystem zu investieren und dann die Antenne zu ignorieren.

Es gibt viele Spezifikationen, die die Leistung einer Antenne bestimmen, wir können sie jedoch im Folgenden auflisten:

Antennenspezifikation

Betriebsfrequenz

Die physikalischen Eigenschaften der Antenne hängen im Allgemeinen mit der Betriebsfrequenz zusammen. In einem anderen Kapitel haben wir zum Beispiel festgestellt, dass es zur Resonanz kommt, wenn der Dipol eine halbe Wellenlänge lang ist (siehe „Wie strahlen Antennen ab?“). Da die Frequenz die Wellenlänge bestimmt, bedeutet dies, dass eine Antenne nur bei einer bestimmten Frequenz effizient ist. Das ist an sich kein Problem, bedeutet aber, dass die Antennengröße von klein (z. B. WiFi-Router-Antennen bei 2,4 GHz) bis sehr groß (z. B. AM-Rundfunkmasten bei nur wenigen Hundert kHz) variieren kann.

Im Funkspektrum werden die Frequenzbänder in der Regel nach Anwendungen zugewiesen, so dass in jedem Frequenzband im Allgemeinen ähnlich große Antennen verwendet werden.

Bandbreite

Wir haben bereits erwähnt, dass Antennen nur bei einer bestimmten Frequenz effizient sind. In der Praxis sinkt der Wirkungsgrad allmählich, je weiter die Frequenz von der Resonanzfrequenz entfernt ist, so dass die Antenne (in den meisten Fällen) über den gewünschten Frequenzbereich zufriedenstellend funktioniert. So kann beispielsweise eine einzige Antenne alle Signale im kommerziellen UKW-Rundfunkband zufriedenstellend empfangen.

Für den normalen Empfang gibt es Antennen, die eine große Bandbreite haben, so dass sie Signale aus mehreren Bändern empfangen können, z. B. eine Discone-Antenne. Die Leistung der Antenne kann sich dadurch jedoch verschlechtern.

Polarisation

Im letzten Kapitel haben wir erwähnt, dass die Funkwelle (oder speziell das elektrische Feld) in der horizontalen oder vertikalen Ebene schwingen kann. Dies hängt davon ab, wie die Antenne am Sender montiert ist. Daher muss die Empfangsantenne für die Kommunikation auf dieselbe Weise ausgerichtet sein.

Gewinn

Eine isotrope Antenne ist eine Punktquelle, die in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt.

Normale Antennen strahlen nicht gleichmäßig in alle Richtungen und maximieren die Strahlung in eine Richtung. Wir sprechen davon, dass die Antenne eine Richtwirkung oder einen Gewinn in der Richtung der Spitzenstrahlung aufweist. Um den Gewinn in einem Wert auszudrücken, vergleichen wir diesen Spitzenpegel mit dem Pegel einer isotropen Antenne und betrachten die dB-Differenz. Diese Differenz ist der Gewinn und wird in dBi ausgedrückt.

Nimmt man das Beispiel einer Dipolantenne und vergleicht ihr Strahlungsdiagramm mit dem einer isotropen Antenne, so stellt man fest, dass der Dipol die Strahlung senkrecht maximiert und sie an den Spitzen minimiert. Es sollte klar sein, dass die Empfangsantenne zur Maximierung der Kommunikationseffizienz in diese Richtung der maximalen Strahlung ausgerichtet sein sollte.

Für feste Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wie Satelliten- und Fernsehübertragungen haben die Antennen in der Regel einen sehr hohen Gewinn bzw. eine hohe Richtwirkung (z. B. 17 dBi), da es nur eine Übertragungsstrecke gibt. Für die mobile Kommunikation müssen solche Antennen eine mehr omnidirektionale Abdeckung haben.

VSWR

Das VSWR (voltage standing wave ratio) ist ein Maß dafür, wie viel der Eingangsleistung in Strahlung umgewandelt wird (siehe Impedanz und Stehwellenverhältnis) und wird auf allen Antennendatenblättern angegeben, normalerweise als Verhältnis, z. B. 2:1 oder 1:1. Üblicherweise wird das VSWR in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen, wobei der VSWR-Bereich von 1 (ideal) bis unendlich reicht. Die Betriebsfrequenz zeigt sich als ein Minimum, das bei oder nahe dem VSWR von 1 liegt. Das ist normalerweise die Frequenz, für die die Antenne ausgelegt wurde.

Antennenimpedanz

Die Antennenimpedanz (in Ohm) ist der Impedanzwert, den man an den Antennenanschlüssen sieht. Damit ist nicht der Gleichstromwiderstand gemeint, sondern der Strahlungswiderstand (dessen Aufgabe es ist, das eingehende Signal in Strahlung umzuwandeln), der sich mit der Frequenz ändert. Wenn Sie die Antenne außerhalb der vorgesehenen Frequenz verwenden, ändert sich die Impedanz des Speisepunkts auf einen ungeeigneten Wert. Ein solcher unpassender Wert führt dazu, dass die Antenne einen Teil des HF-Signals zurückreflektiert und ein hohes VSWR erzeugt.

Wenn die Antenne bei ihrer korrekten Auslegungsfrequenz verwendet wird, stimmt ihre Speisepunktimpedanz mit der Impedanz der Speiseleitung und des restlichen Systems überein (und erzeugt ein VSWR von 1). Normalerweise sind Funkgeräte und Antennen auf eine Impedanz von 50 Ohm ausgelegt. Wenn die Impedanz jedoch nicht angepasst werden kann, sollte ein Impedanztransformator oder eine Anpassungsvorrichtung verwendet werden.

Bei einer Fehlanpassung der Impedanz ist das VSWR nicht mehr 1 und die Antenne strahlt nicht effizient ab.

Strahlungsdiagramme

Das Strahlungsdiagramm ist eine visuelle Darstellung der Strahlungsemission einer Antenne. Je nach Anwendung benötigen die Antennen eine 360-Grad-Abdeckung; bei festen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen muss die Antenne nur nach vorne abstrahlen. Nachfolgend sind die Strahlungsdiagramme für Dipol-, Yagi- und Parabolantenne dargestellt.

Antennen nach Anwendung

Im Folgenden werden die grundlegenden Antennentypen und Anwendungen in der nach dem Gewinn geordneten Reihenfolge (aufsteigend) aufgeführt.

Antenne	Beispielbild	Gewinn	Beschreibung
Isotrop		0 dBi	Existiert in der Realität nicht, wird aber zur Berechnung des Gewinns von handelsüblichen Antennen verwendet.
Standard-Dipol		+2.14 dBi	Bei einer Dipolantenne gibt es 2 strahlende Elemente, die jeweils 1/4 Wellenlänge lang sind und eine Gesamtdipollänge von 1/2 Wellenlänge ergeben. Da es sich um eine vollständige Antenne handelt, ist für den Betrieb keine Groundplane erforderlich, wie das bei einer Monopolantenne der Fall ist. Dies erleichtert die Installation an jedem beliebigen Ort, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Bei vertikaler Installation kann sie in der horizontalen Ebene eine 360-Grad-Abdeckung bieten. Man verwendet sie beispielsweise für Amateurfunk, VHF/UHF-Basisstationen.
Peitschen-/Monopolantenne		+2,14 dBi	Wenn wir eine Dipol-Antenne nehmen und eines der Elemente entfernen und ihn dann über einer Groundplane installieren, kann die Antenne immer noch strahlen. Das ist möglich, weil der Boden in der Lage ist, die Strahlung des Dipols durch “Spiegelung” des fehlenden Elements zu reproduzieren. Der Begriff “Monopol” bezieht sich darauf, dass nur ein Element anstelle von zwei vorhanden ist und bei Verwendung eines Koaxkabels die äußere Abschirmung mit der Groundplane verbunden ist. Der Hauptvorteil einer Monopolantenne ist die kürzere Länge (ca. die Hälfte einer Dipolantenne), und sie lässt sich leicht auf jeder metallischen Oberfläche montieren. Anwendungsbeispiele sind mobile und tragbare Funkgeräte, Geräte mit geringer Reichweite.
Yagi-Uda-Antenne		Hoch, abhängig von Elementen	Eine Yagi-Uda-Antenne besteht aus mehreren parasitären Elementen, die vor dem treibenden Element (in der Regel ein Dipol) angeordnet sind, wobei ein hinteres Element als Reflektor dient. Die zusätzlichen Elemente erhöhen den Gewinn in der Vorwärtsrichtung, während der Gewinn zur Seite und nach hinten reduziert wird. Der Gewinn ist höher als bei einem einzelnen Dipol, aber nur in Vorwärtsrichtung, so dass er nicht für eine 360-Grad-Abdeckung verwendet werden kann. Zu den Anwendungsbeispielen gehören feste Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wie der UHF-Fernsehempfang.
Parabolantenne		Sehr hoch, je nach Größe der Schüssel	Eine Parabol- oder Parabolschüsselantenne verwendet eine konkave, reflektierende Oberfläche, die das HF-Signal auf eine zentrale Einspeisung (in der Regel ein kleiner Dipol oder ähnliches) fokussiert. Der Gewinn hängt von der Größe der Parabolantenne ab, so dass bei schwachem Signalempfang Parabolantennen mit einem Durchmesser von bis zu mehreren Metern verwendet werden können. Da ein hoher Gewinn auch durch die Verwendung kürzerer Wellenlängen erzielt werden kann, werden Parabolantennen häufig für feste Sichtverbindungen über 1 GHz verwendet. Diese Antenne wird beispielsweise für Satelliten-Downlinks (z. B. Fernsehen) und Uplinks, Mikrowellen-Kommunikationsverbindungen, Radioastronomie verwendet.

 

Monopolantennen

Ein Halbwellendipol, der auf der richtigen Frequenz arbeitet, ist die optimalste Antenne. Bei niedrigeren Frequenzen kann die Größe des Dipols jedoch problematisch werden.

Da der Dipol elektrisch symmetrisch ist, ist es möglich, die aktive Hälfte an einer leitenden Massefläche zu spiegeln. Die Erde ist kein perfekter Leiter, wird aber aufgrund ihrer großen Masse sehr häufig als Masseebene verwendet. Ein AM-Sendeturm ist ein solches Beispiel.

Der Erdboden muss nicht immer aus physischer Erde bestehen, sondern kann auch durch eine ebene Metallfläche dargestellt werden. Für praktische Konstruktionen kann die Grundfläche durch Radiale simuliert werden.