Wie Antennen strahlen?

Einführung

Die Antenne ist die wichtigste Komponente jedes Funksystems. Sie ist verantwortlich für Übertragung und Empfang von Funksignalen. Auch wenn ein Funkmodul gut konstruiert ist, wird es ohne eine gute Antenne nie optimal funktionieren. Auf dieser Seite geht es um die Grundlagen der Antennentheorie und spätere Kapitel werden sich auf praktische Antennendesigns konzentrieren, da es bei der Entwicklung von Antennen in der realen Welt oft umweltbedingte Beschränkungen gibt.

Was ist eine Antenne?

Die Antenne ist ein Beispiel für einen Transducer. Das heißt, sie wandelt eine Energieform in eine andere um, in diesem Fall elektrische Energie in elektromagnetische Energie. Um dies zu veranschaulichen, können wir uns die Funktionsweise eines Mikrofons und eines Lautsprechers vorstellen.

Der Lautsprecher ist ein weiteres Beispiel für einen Transducer, denn er wandelt elektrische Energie (Signale vom Mikrofon) in Schallenergie um. Diese breitet sich als mechanische Schwingung oder als Schallwelle durch die Luft aus.

Das zweite Diagramm zeigt ein Grundmodell eines Funksenders. Statt eines Lautsprechers wandelt eine Antenne elektrische Energie (vom Modulator), die durch die Bewegung von Ladungsträgern in einem Leiter dargestellt wird, in elektrische und magnetische Felder (elektromagnetische Energie) um. In der nachstehenden Tabelle sind die wichtigsten Unterschiede zwischen Schall und EM (elektromagnetischen) Wellen zusammengefasst.

	Geschwindigkeit	Oszillation	Medium
Schall	343 m/s (trockene Luft, 20°C)	in Längsrichtung	erfordert Materie
EM-Welle	300.000.000 m/s (Vakuum)	quer	keines

Die einfache Dipolantenne

Wir haben festgestellt, dass EM-Wellen durch die Beschleunigung von Ladungsträgern erzeugt werden. Damit die Ladungsträger schwingen können, brauchen wir eine Wechselspannung. Was passiert, wenn wir diese an 2 offene Drähte anlegen?

Im Folgenden wird dargestellt, was mit der Spannungs- und Stromverteilung (blaue und rote Bereiche) an der Antenne im Laufe der Zeit geschieht. Zunächst verursacht die Spannungsquelle Vs einen Stromfluss. Dieser Strom verursacht ein Magnetfeld (dargestellt durch die Kreise um den Draht). Dieses Magnetfeld erstreckt sich in einem Winkel von 90 Grad zu den Dipolarmen nach außen.

Da dieser Stromkreis offen ist, kann der Strom nicht über die Enden des Dipols hinaus fließen. Dies führt dazu, dass sich die Ladungsträger an den Enden ansammeln und ein elektrisches Feld parallel zum Dipol erzeugt wird. Das Magnetfeld bricht zusammen, da der Strom nun gleich Null ist.

Wenn sich die Spannungsquelle umkehrt, fließt der Strom in die entgegengesetzte Richtung. Das elektrische Feld bricht zusammen und das Magnetfeld baut sich erneut auf. Da die Stromrichtung nun jedoch umgekehrt ist, verläuft das Magnetfeld nun in die entgegengesetzte Richtung (mit Pfeilen markiert).

Der Vorgang wiederholt sich, wobei sich ein weiteres elektrisches Feld ausbildet, das wie das Magnetfeld nun in die entgegengesetzte Richtung weist.

Da das elektrische und das magnetische Feld senkrecht zueinander stehen und sich abwechseln, ist das Endergebnis eine EM-Welle wie unten.

Resonanz

Da sich der Strom mit der Spannungsquelle ändert, muss die erzeugte EM-Frequenz mit der Frequenz der Spannungsquelle übereinstimmen. Wenn es gelingt, den Strom in den Dipolarmen im Takt der Frequenz der Spannungsquelle hin- und herschwingen zu lassen (z. B. bei einer Schwingung schiebt man, wenn die Schwingung den höchsten Punkt erreicht und nicht vorher oder nachher), erhält man eine maximale Strahlung. Dieser Zustand wird als Resonanz bezeichnet und tritt ein, wenn jeder Arm 1/4 Wellenlänge lang ist (Gesamtlänge des Dipols = 1/2 Wellenlänge).

Bei einer Übertragungsfrequenz von 434 MHz beispielsweise beträgt die Wellenlänge 0,69 m. Damit der Dipol bei dieser Frequenz in Resonanz ist, müsste seine Länge also 0,35 m betragen.

Elektrisch gesehen tritt Resonanz auf, wenn alle Reaktanzkomponenten einer Antenne verschwinden und nur die realen Widerstände (Strahlungswiderstand und ohmsche Verluste) übrig bleiben. Ähnlich wie reine Widerstandsheizungen elektrische Energie in nützliche Wärmeenergie umwandeln, kann man sich vorstellen, dass der Strahlungswiderstand die elektrische Energie im Dipol in die gewünschten EM-Wellen umwandelt.

Strahlungsdiagramm

Eine punktförmige Strahlungsquelle (eine so genannte isotrope Quelle) würde gleichmäßig in alle Richtungen strahlen, wie unten dargestellt. Sie folgt dem Gesetz des umgekehrten Quadrats, d. h. bei Verdoppelung der Entfernung von der Quelle verringert sich die Energie pro Flächeneinheit auf 1/4.

Eine isotrope Antenne gibt es in der Realität nicht, so dass in der Praxis alle Antennen eine gewisse Richtwirkung in ihren Strahlungsdiagrammen aufweisen. Das von unserem Dipol abgestrahlte Muster ist beispielsweise unten dargestellt. An den Enden der Antenne gibt es wenig oder keine Strahlung. Dies wäre für eine 360°-Abdeckung in Ordnung, aber nicht, wenn Sie den Dipol horizontal ausrichten.

 

 

Im Allgemeinen gelten diese Muster auch dann, wenn dieselbe Antenne in dem Sinne empfängt, dass die Antenne eher auf Signale aus einer Richtung reagiert und nicht aus der anderen. Alle Antennentypen haben ihr eigenes Strahlungsmuster, das sie für bestimmte Anwendungen qualifiziert. Dieses Thema wird in einem späteren Artikel behandelt.