Kapitel 5: Antennenformen und Abstrahlung¶

Lernziele¶

Nach diesem Kapitel solltest du:

die wichtigsten Antennenformen im Amateurfunk erkennen und grundsätzlich erklären können
Rundstrahl- und Richtantennen unterscheiden können
verstehen, was ein Strahlungsdiagramm darstellt
Hauptkeule, Nebenkeulen und Rückkeule erkennen können
Antennengewinn richtig einordnen können
dBi und dBd unterscheiden können
das Vor-Rück-Verhältnis erklären können
den 3-dB-Öffnungswinkel einer Richtantenne verstehen
horizontal und vertikal polarisierte Antennen unterscheiden können
Halbwellendipol, Groundplane und Faltdipol erklären können
das Grundprinzip einer Yagi-Antenne verstehen
die HB9CV-Antenne grundsätzlich einordnen können
Quad, Magnetic Loop, Parabolantenne, Hornantenne und Helix erkennen können
erklären können, weshalb unterschiedliche Antennenformen für unterschiedliche Aufgaben geeignet sind
Richtwirkung, Gewinn, Wirkungsgrad und Anpassung voneinander unterscheiden können

Hinweis zu HB3 und HB9: Das BAKOM verlangt Kenntnisse von Antennentypen und Antenneneigenschaften. Für HB3 sind die technischen und rechnerischen Fragen weniger komplex als für HB9. Die Kennzeichnung HB9-Vertiefung dient in diesem Lehrwerk als Lernhilfe und stellt keine offizielle Einzelabgrenzung des Prüfungsstoffes dar.

Formelzeichen und Symbole¶

Zeichen	Bedeutung	Einheit
\(\lambda\)	Wellenlänge	m
\(G\)	Antennengewinnfaktor	keine
\(g\)	Antennengewinn	dB
\(g_i\)	Gewinn bezogen auf den Isotropstrahler	dBi
\(g_d\)	Gewinn bezogen auf den Halbwellendipol	dBd
\(P\)	Leistung	W
\(\theta\)	Winkel	°

Der griechische Buchstabe:

\[ \lambda \]

wird Lambda ausgesprochen.

Der griechische Buchstabe:

\[ \theta \]

wird Theta ausgesprochen und kann einen Winkel bezeichnen.

Der rote Faden¶

Eine Antenne kann die zugeführte Energie sehr unterschiedlich im Raum verteilen.

Eine Antenne kann beispielsweise:

möglichst gleichmässig rundum

oder:

bevorzugt in eine bestimmte Richtung

abstrahlen.

Diese räumliche Verteilung bezeichnet man als:

Strahlungscharakteristik

beziehungsweise:

Strahlungsdiagramm

Daraus ergeben sich wichtige Begriffe wie:

Richtwirkung
Antennengewinn
Hauptkeule
Nebenkeulen
Rückkeule
Vor-Rück-Verhältnis
Öffnungswinkel

Dieses Kapitel verbindet deshalb:

Antennenform → Stromverteilung → Strahlungsdiagramm → praktische Anwendung

Das Strahlungsdiagramm¶

Ein Strahlungsdiagramm zeigt, wie stark eine Antenne elektromagnetische Energie in verschiedene Richtungen abstrahlt.

Beim Empfang kann dasselbe Diagramm grundsätzlich auch als Richtempfindlichkeit der Antenne verstanden werden.

Das Diagramm zeigt nicht:

wie die Funkwelle räumlich aussieht

sondern:

wie stark die Antenne in verschiedene Richtungen wirkt.

Horizontales und vertikales Strahlungsdiagramm¶

Ein dreidimensionales Strahlungsfeld lässt sich häufig durch zwei Schnitte darstellen.

Horizontaldiagramm¶

Blick von oben auf die Antenne.

Es zeigt, wie die Antenne in verschiedene Himmelsrichtungen abstrahlt.

Vertikaldiagramm¶

Seitlicher Schnitt.

Es zeigt insbesondere:

Abstrahlwinkel
Energie zum Horizont
Energie nach oben

Für Kurzwellen-DX ist das Vertikaldiagramm besonders wichtig.

Der Halbwellendipol¶

Der Halbwellendipol wurde bereits in Kapitel 4 eingeführt.

Seine Gesamtlänge beträgt ungefähr:

\[ \frac{\lambda}{2} \]

Der klassische mittengespeiste Dipol besitzt zwei gleich lange Schenkel.

Beim freien horizontalen Dipol ist die Abstrahlung:

quer zur Drahtachse am stärksten

und:

in Verlängerung des Drahtes sehr schwach beziehungsweise idealisiert null. . .

Abbildung 5-1: Vereinfachtes Strahlungsdiagramm eines horizontalen Halbwellendipols. Die stärkste Abstrahlung erfolgt quer zur Dipolachse. . .

Warum entsteht dieses Diagramm?¶

Die Hochfrequenzströme verteilen sich entlang des Dipols.

Die von den einzelnen Leiterabschnitten abgestrahlten Felder überlagern sich im Raum.

In bestimmten Richtungen addieren sie sich besonders stark.

In Verlängerung des Dipols löschen sich die Beiträge weitgehend gegenseitig aus.

Die typische Acht¶

Im horizontalen Schnitt eines horizontalen Dipols entsteht idealisiert eine Form, die häufig als:

Acht

bezeichnet wird.

Dabei befinden sich die beiden Hauptstrahlrichtungen:

senkrecht zum Draht

Die beiden Minima befinden sich:

in Richtung der Drahtenden

Praktische Bedeutung¶

Wer mit einem horizontalen Dipol bevorzugt nach Osten und Westen funken möchte, spannt ihn ungefähr:

Nord-Süd

Die Drahtachse und Hauptstrahlrichtung stehen also ungefähr senkrecht aufeinander.

Dreidimensionales Strahlungsfeld¶

Die bekannte Acht ist nur ein zweidimensionaler Schnitt.

Das vollständige Strahlungsfeld eines idealisierten Dipols erinnert an einen:

Ring beziehungsweise Torus

um die Antennenachse.

Man sollte deshalb nicht denken, die Antenne strahle tatsächlich nur entlang zweier dünner Linien.

Groundplane¶

Die Groundplane besteht grundsätzlich aus:

vertikalem Strahler
Radialen beziehungsweise Gegensystem

Der Strahler besitzt typischerweise eine Länge in der Grössenordnung:

\[ \frac{\lambda}{4} \]

Bei einer vertikalen Groundplane ist die Polarisation grundsätzlich:

vertikal . .

Abbildung 5-2: Vertikale Groundplane und vereinfachte horizontale Rundstrahlcharakteristik. In der Horizontalebene wird annähernd in alle Richtungen abgestrahlt. . .

Rundstrahlcharakteristik¶

Eine ideale vertikale Groundplane besitzt in der Horizontalebene eine annähernd kreisförmige Charakteristik.

Sie wird deshalb häufig als:

Rundstrahler

bezeichnet.

Das bedeutet nicht, dass sie in allen Raumrichtungen gleich stark abstrahlt.

Nach oben entlang der Antennenachse befindet sich kein gleich starkes Strahlungsmaximum.

Nicht verwechseln¶

Rundstrahler

bedeutet normalerweise:

annähernd gleichmässige Abstrahlung in der Horizontalebene.

Es bedeutet nicht:

gleichmässige Abstrahlung in jede Richtung des dreidimensionalen Raumes.

Der isotrope Strahler¶

Für Antennenvergleiche benötigt man eine eindeutig definierte Referenz.

Dazu verwendet man den theoretischen:

isotropen Strahler

Er strahlt die zugeführte Energie idealisiert:

in alle Raumrichtungen gleichmässig

ab.

Sein Strahlungsdiagramm wäre eine Kugel. . .

Abbildung 5-5: Der isotrope Strahler ist eine theoretische Referenzantenne mit gleicher Abstrahlung in alle Raumrichtungen. . .

Wichtig¶

Einen idealen isotropen Strahler kann man praktisch nicht bauen.

Er ist ein:

mathematisches Vergleichsmodell

und wird insbesondere für die Angabe:

dBi

verwendet.

Antennengewinn¶

Eine Richtantenne konzentriert einen grösseren Anteil der vorhandenen Leistung in bestimmte Richtungen.

Dadurch entsteht dort gegenüber einer Referenzantenne ein höherer Feldpegel.

Dies wird als:

Antennengewinn

bezeichnet.

Wichtig:

Eine passive Antenne erzeugt keine zusätzliche Leistung.

Der Gewinn entsteht durch räumliche Umverteilung.

Wo mehr abgestrahlt wird, muss in anderen Richtungen entsprechend weniger abgestrahlt werden.

Gewinnfaktor und Dezibel¶

Der lineare Gewinnfaktor kann mit:

\[ G \]

bezeichnet werden.

Die logarithmische Angabe lautet:

\[ g = 10\cdot\lg(G) \]

Umgekehrt:

\[ G = 10^{g/10} \]

Ein Gewinn von:

\[ 3\ \mathrm{dB} \]

entspricht ungefähr einem Leistungsfaktor von:

\[ 2 \]

Ein Gewinn von:

\[ 10\ \mathrm{dB} \]

entspricht einem Faktor von:

\[ 10 \]

in der betreffenden Richtung gegenüber der verwendeten Referenz.

dBi und dBd¶

Ein Gewinnwert ist nur sinnvoll, wenn bekannt ist, auf welche Referenzantenne er sich bezieht.

dBi¶

Bezug auf den:

isotropen Strahler

dBd¶

Bezug auf den:

Halbwellendipol

Ein idealisierter Halbwellendipol besitzt gegenüber dem Isotropstrahler:

\[ 2{,}15\ \mathrm{dBi} \]

Damit gilt:

\[ g_i = g_d = + = 2{,}15\ \mathrm{dB} \]

beziehungsweise:

\[ g_d = # g_i = 2{,}15\ \mathrm{dB} \]

Beispiel dBi und dBd¶

Eine Antenne besitzt:

\[ 6\ \mathrm{dBd} \]

Dann beträgt ihr Gewinn bezogen auf den Isotropstrahler:

\[ g_i = 6 = + = 2{,}15 \]

\[ g_i = 8{,}15\ \mathrm{dBi} \]

Die Antenne ist dadurch nicht plötzlich besser geworden.

Nur die:

Bezugsantenne

wurde geändert.

Richtantenne¶

Eine Richtantenne strahlt bevorzugt in eine oder mehrere bestimmte Richtungen.

Typische Richtantennen sind:

Yagi
HB9CV
Quad
Parabolantenne
Hornantenne
Helix in axialer Betriebsweise

Die Richtwirkung ist besonders nützlich für:

DX
Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
Satellitenfunk
Richtfunk
schwache Signale

Yagi-Uda-Antenne¶

Die Yagi ist eine der bekanntesten Richtantennen.

Sie besteht typischerweise aus:

gespeistem Element
Reflektor
einem oder mehreren Direktoren

Das gespeiste Element ist häufig ein:

Dipol

oder:

Faltdipol . .

Abbildung 5-3: Grundprinzip einer Yagi-Antenne mit Reflektor, gespeistem Element und Direktoren. Die Hauptstrahlrichtung zeigt zur Direktorenseite. . .

Reflektor¶

Der Reflektor befindet sich hinter dem gespeisten Element.

Er ist typischerweise etwas länger als das resonante gespeiste Element.

Er beeinflusst das elektromagnetische Feld so, dass die Abstrahlung in Rückwärtsrichtung vermindert und die Abstrahlung nach vorne verstärkt wird.

Direktoren¶

Die Direktoren befinden sich vor dem gespeisten Element.

Sie sind typischerweise etwas kürzer.

Mehrere Direktoren können:

Richtwirkung erhöhen
Hauptkeule schmaler machen
Gewinn vergrössern

Dies geschieht jedoch nicht unbegrenzt.

Die genaue Dimensionierung ist Teil des Antennenentwurfs.

Parasitäre Elemente¶

Reflektor und Direktoren einer klassischen Yagi werden nicht direkt über ein Kabel gespeist.

Sie werden durch das elektromagnetische Feld des gespeisten Elements angeregt.

Solche Elemente nennt man:

parasitäre Elemente

Das Wort «parasitär» bedeutet hier nicht, dass sie nutzlos sind.

Im Gegenteil, sie erzeugen gezielt die gewünschte Richtwirkung.

Hauptstrahlrichtung¶

Bei einer klassischen Yagi liegt die Hauptstrahlrichtung:

vom Reflektor über das gespeiste Element zu den Direktoren

Vereinfacht:

Reflektor → Dipol → Direktoren → Hauptstrahlrichtung

Strahlungsdiagramm einer Richtantenne¶

Eine reale Richtantenne strahlt nicht ausschliesslich in einer einzigen Richtung.

Das Diagramm besitzt typischerweise:

Hauptkeule
Nebenkeulen
Rückkeule . .

Abbildung 5-4: Vereinfachtes Richtdiagramm mit Hauptkeule, Nebenkeulen, Rückkeule und 3-dB-Öffnungswinkel. . .

Hauptkeule¶

Die:

Hauptkeule

bezeichnet den Bereich mit der stärksten gewünschten Abstrahlung.

Ihre Richtung wird als:

Hauptstrahlrichtung

bezeichnet.

Nebenkeulen¶

Weitere kleinere Abstrahlungsmaxima werden als:

Nebenkeulen

bezeichnet.

Sie sind in vielen Anwendungen unerwünscht, lassen sich aber bei realen Antennen nicht immer vollständig vermeiden.

Rückkeule¶

Die Abstrahlung ungefähr entgegen der Hauptstrahlrichtung wird als:

Rückkeule

bezeichnet.

Eine gute Richtantenne soll je nach Anwendung möglichst wenig Energie nach hinten abstrahlen.

Vor-Rück-Verhältnis¶

Das Verhältnis zwischen der Abstrahlung:

nach vorne

und:

nach hinten

wird als:

Vor-Rück-Verhältnis

bezeichnet.

Es wird normalerweise in:

dB

angegeben.

Ein grosses Vor-Rück-Verhältnis bedeutet:

Die Antenne strahlt in Hauptstrahlrichtung deutlich stärker als in die entgegengesetzte Richtung.

Beispiel Vor-Rück-Verhältnis¶

Ein Vor-Rück-Verhältnis von:

\[ 20\ \mathrm{dB} \]

bedeutet bezüglich Leistung ein Verhältnis von ungefähr:

\[ 100:1 \]

Die Leistung in Hauptstrahlrichtung ist damit im Vergleich zur exakt entgegengesetzten Richtung etwa hundertmal grösser.

Dies ist ein Verhältnis und keine Aussage über die gesamte abgestrahlte Leistung.

Öffnungswinkel¶

Die Hauptkeule besitzt eine bestimmte Breite.

Als:

3-dB-Öffnungswinkel

bezeichnet man den Winkel zwischen den beiden Richtungen, in denen die Leistung gegenüber dem Maximum um:

\[ 3\ \mathrm{dB} \]

abgefallen ist.

Da:

\[ -3\ \mathrm{dB} \]

ungefähr halber Leistung entspricht, spricht man auch von den:

Halbwertspunkten

Schmale und breite Hauptkeule¶

Eine schmale Hauptkeule bedeutet:

stärkere Richtwirkung
präzisere Ausrichtung notwendig

Eine breite Hauptkeule bedeutet:

grössere Winkelabdeckung
geringere Richtwirkung

Für verschiedene Anwendungen kann beides sinnvoll sein.

Horizontaler Dipol¶

Ein horizontal montierter Halbwellendipol erzeugt grundsätzlich:

horizontale Polarisation . .

Abbildung 5-6: Horizontal montierter Halbwellendipol. Das elektrische Feld und damit die Polarisation liegen grundsätzlich horizontal. . . Diese Polarisation wird auf Kurzwelle häufig verwendet. . .

Vertikaler Dipol¶

Wird derselbe Dipol vertikal montiert, besitzt er grundsätzlich:

vertikale Polarisation

Abbildung 5-7: Vertikal montierter Dipol mit vertikaler Polarisation.

Vertikale Polarisation ist beispielsweise bei:

mobilen VHF/UHF-Verbindungen
Handfunkgeräten
vielen Relaisverbindungen

sehr gebräuchlich.

Faltdipol¶

Ein:

Faltdipol

besteht vereinfacht aus zwei parallelen Leitern, die an den Enden miteinander verbunden sind.

Die Gesamtausdehnung entspricht ungefähr jener eines Halbwellendipols. . .

Abbildung 5-8: Grundform eines Faltdipols. Gegenüber dem einfachen gestreckten Dipol besitzt er bei typischer symmetrischer Ausführung einen höheren Speisepunktwiderstand. . .

Speisepunktwiderstand des Faltdipols¶

Ein symmetrischer Faltdipol mit zwei gleichartigen parallelen Leitern besitzt idealisiert einen Speisepunktwiderstand von ungefähr:

\[ 300\ \Omega \]

Der einfache Halbwellendipol liegt dagegen in der Grössenordnung von:

\[ 73\ \Omega \]

beziehungsweise praktisch oft mit:

\[ 75\ \Omega \]

angegeben.

Der exakte Wert hängt wiederum von der realen Konstruktion und Umgebung ab.

Warum Faltdipol?¶

Faltdipole werden unter anderem verwendet wegen:

höherem Speisepunktwiderstand
günstigen mechanischen Eigenschaften
teilweise grösserer Bandbreite
guter Eignung als gespeistes Element in Richtantennen

Bei vielen klassischen VHF- und UHF-Yagis findet man deshalb Faltdipole.

HB9CV-Antenne¶

Die:

HB9CV

ist eine kompakte Richtantenne mit zwei aktiv gekoppelten Elementen.

Sie wurde vom Schweizer Funkamateur Rudolf Baumgartner, HB9CV, entwickelt.

Die beiden Elemente werden mit einer definierten:

Amplitudenbeziehung
Phasenbeziehung

gespeist.

Dadurch entsteht eine ausgeprägte Richtwirkung. . .

Abbildung 5-9: Grundprinzip der HB9CV-Antenne. Zwei aktiv gekoppelte Elemente erzeugen durch geeignete Phasenlage eine Richtwirkung. . .

Unterschied HB9CV und Yagi¶

Bei der klassischen Yagi ist typischerweise nur ein Element direkt gespeist.

Reflektor und Direktoren sind parasitär.

Bei der HB9CV werden dagegen:

beide Hauptelemente aktiv gespeist beziehungsweise gekoppelt

Die Richtwirkung entsteht deshalb nach einem anderen Prinzip.

Quad-Antenne¶

Eine Quad verwendet ein oder mehrere geschlossene Draht- oder Rohrelemente.

Ein einzelnes resonantes Quad-Element besitzt typischerweise einen Umfang in der Grössenordnung von:

\[ \lambda \]

Mehrere hintereinander angeordnete Schleifen können eine Richtantenne bilden. . .

Abbildung 5-10: Vereinfachte Quad-Richtantenne. Die Schleifenelemente liegen hintereinander entlang der Antennenachse. . .

Warum heisst sie Quad?¶

Die klassische Bauform verwendet quadratische Schleifen.

Elektrisch entscheidend ist jedoch nicht, dass die Schleife geometrisch exakt quadratisch sein muss.

Es existieren beispielsweise auch:

rautenförmige
rechteckige
andere geschlossene Schleifenformen

Eigenschaften einer Quad¶

Je nach Ausführung kann eine Quad:

Richtwirkung
Gewinn
gutes Vor-Rück-Verhältnis

besitzen.

Sie wird vor allem auf:

Kurzwelle
VHF
UHF

eingesetzt.

Die genaue Speisepunktimpedanz hängt von Geometrie und Aufbau ab.

Magnetic Loop¶

Eine:

Magnetic Loop

ist eine elektrisch kleine Schleifenantenne, deren Umfang häufig deutlich kleiner als eine Wellenlänge ist.

Sie besteht typischerweise aus:

grosser leitender Hauptschleife
Abstimmkondensator
kleinerer Koppelschleife oder anderer Kopplung . .

Abbildung 5-11: Prinzip einer Magnetic Loop. Die grosse Hauptschleife bildet gemeinsam mit dem variablen Kondensator einen abgestimmten Schwingkreis. Die kleine Schleife dient der HF-Kopplung. . .

Resonanz der Magnetic Loop¶

Die grosse Schleife besitzt eine Induktivität.

Gemeinsam mit dem Abstimmkondensator entsteht ein:

LC-Schwingkreis

Seine Resonanzfrequenz wird durch:

Schleifeninduktivität
Kapazität

bestimmt.

Dadurch kann eine mechanisch relativ kleine Antenne auf einer deutlich grösseren Wellenlänge resonant betrieben werden.

Hohe Ströme und Spannungen¶

In einer resonanten Magnetic Loop können sehr hohe HF-Ströme fliessen.

Am Abstimmkondensator können gleichzeitig sehr hohe HF-Spannungen auftreten.

Deshalb sind:

niedrige Übergangswiderstände
stabile Leiter
geeignete Kondensatoren

besonders wichtig.

Eine kleine Loop bedeutet also nicht automatisch geringe elektrische Belastungen.

Bandbreite der Magnetic Loop¶

Eine effiziente kleine Magnetic Loop besitzt typischerweise eine relativ hohe Güte.

Daraus folgt eine:

kleine Bandbreite

Schon eine kleine Frequenzänderung kann deshalb eine erneute Abstimmung erfordern.

Dies ist eine typische Folge elektrisch kleiner resonanter Antennen.

Richtwirkung der Magnetic Loop¶

Eine kleine Loop besitzt typischerweise ausgeprägte:

Nullstellen

in bestimmten Richtungen.

Diese können beim Empfang sehr nützlich sein, um:

lokale Störungen
unerwünschte Signale

durch Drehen der Antenne zu vermindern.

Die Richtung maximaler Empfindlichkeit und die Nullrichtungen hängen von der Orientierung der Schleife ab.

Parabolantenne¶

Eine Parabolantenne verwendet einen:

parabolisch geformten Reflektor

Elektromagnetische Wellen werden zwischen:

Brennpunkt
parallelem Strahlenbündel

umgesetzt. . .

Abbildung 5-12: Prinzip einer Parabolantenne. Der Reflektor bündelt die elektromagnetische Energie zwischen Brennpunkt und Hauptstrahlrichtung. . .

Parabolantenne beim Senden¶

Ein Speisesystem befindet sich ungefähr im Brennpunkt.

Die vom Speisesystem abgestrahlten Wellen treffen auf den Reflektor.

Dieser formt daraus ein stark gerichtetes Strahlungsfeld.

Parabolantenne beim Empfang¶

Der Vorgang läuft umgekehrt.

Nahezu parallel eintreffende Wellen werden vom Reflektor zum:

Brennpunkt

geführt.

Dort befindet sich die Empfangsantenne beziehungsweise das Speisesystem.

Grösse und Richtwirkung¶

Entscheidend ist nicht nur der absolute Durchmesser des Spiegels, sondern besonders das Verhältnis:

\[ \frac{D}{\lambda} \]

Ein Parabolspiegel mit 1 m Durchmesser ist bei einer Wellenlänge von wenigen Zentimetern elektrisch sehr gross.

Auf 80 m Wellenlänge wäre derselbe Spiegel dagegen praktisch winzig.

Deshalb werden Parabolantennen vor allem bei:

UHF
SHF
Mikrowellen

verwendet.

Hornantenne¶

Eine:

Hornantenne

ist eine aufgeweitete Wellenleiterstruktur.

Sie ermöglicht einen günstigen Übergang zwischen:

Hohlleiter
freiem Raum . .

Abbildung 5-13: Vereinfachte Hornantenne als Übergang zwischen Wellenleiter und freiem Raum. . .

Anwendung der Hornantenne¶

Hornantennen werden insbesondere im:

Mikrowellenbereich
Messwesen
Richtfunk
Radar

verwendet.

Sie können auch als:

Speiseantenne eines Parabolspiegels

dienen.

Helixantenne¶

Eine:

Helixantenne

besteht aus einem schraubenförmig gewickelten Leiter.

Je nach Dimensionierung kann sie in verschiedenen Betriebsweisen arbeiten.

Für Richtfunk und Satellitenbetrieb ist besonders die:

axiale Betriebsweise

interessant. . .

Abbildung 5-14: Helixantenne in axialer Betriebsweise. Die Hauptstrahlrichtung verläuft entlang der Längsachse der Helix. . .

Polarisation der Helix¶

Eine axial betriebene Helix kann:

zirkulare Polarisation

erzeugen beziehungsweise empfangen.

Dadurch eignet sie sich unter anderem für:

Satellitenfunk
Raumfahrtkommunikation
bestimmte Richtfunkanwendungen

Wichtig ist dabei auch der:

Drehsinn

der zirkularen Polarisation.

Polarisation nochmals im Vergleich¶

Die wichtigsten Grundformen sind:

horizontal linear
vertikal linear
zirkular
elliptisch . .

Abbildung 5-15: Vereinfachter Vergleich verschiedener Polarisationen. Bei linearer Polarisation bleibt die Richtung des elektrischen Feldes konstant. Bei zirkularer beziehungsweise elliptischer Polarisation dreht sich der Feldvektor. . .

Polarisationsanpassung¶

Sende- und Empfangsantenne koppeln besonders gut, wenn ihre Polarisation zueinander passt.

Beispiel:

vertikal → vertikal

oder:

horizontal → horizontal

Bei zwei idealen linearen Antennen, die exakt um:

\[ 90^\circ \]

gegeneinander verdreht sind, entsteht theoretisch eine sehr starke Polarisationsdämpfung.

In der Praxis können Reflexionen und Streuung diese ideale Trennung jedoch vermindern.

Warum VHF-FM meist vertikal?¶

Im mobilen und portablen VHF/UHF-Betrieb werden häufig vertikale Antennen eingesetzt.

Gründe sind unter anderem:

Fahrzeugantennen lassen sich einfach vertikal montieren
Handfunkgeräte besitzen typischerweise vertikale Antennen
Rundstrahlcharakteristik ist für mobile Kommunikation günstig

Deshalb ist vertikale Polarisation bei vielen:

FM-Simplexverbindungen
Relaisverbindungen

üblich.

Warum SSB und schwache Signale häufig horizontal?¶

Bei stationären VHF/UHF-Verbindungen mit:

SSB
CW
schwachen Signalen
DX

wird häufig horizontale Polarisation verwendet.

Dazu passen Richtantennen wie horizontal montierte Yagis.

Die verwendete Polarisation ist jedoch eine Betriebsvereinbarung und keine physikalische Pflicht der Modulationsart.

Gestockte Antennen¶

Mehrere Antennen können räumlich so angeordnet und gespeist werden, dass ihre Felder gezielt zusammenwirken.

Dies nennt man:

Stockung

beziehungsweise:

Antennengruppe

Dadurch kann die Strahlungscharakteristik gezielt verändert werden.

Beispiele:

zwei übereinander angeordnete Yagis
vier Yagis in einem Array
vertikal gestockte Rundstrahler

Warum Stockung?¶

Durch geeignete Phasenlage und Abstände können:

Gewinn
Öffnungswinkel
vertikales Strahlungsdiagramm

beeinflusst werden.

Die Gesamtleistung wird dabei wiederum nicht von der Antenne erzeugt.

Sie wird räumlich anders verteilt.

HB9-Vertiefung: Phasenlage¶

Für Richtantennen ist nicht nur entscheidend:

wie viel Strom

in einem Element fliesst.

Ebenso wichtig ist:

mit welcher Phase

dieser Strom fliesst.

Zwei räumlich getrennte Elemente können ihre Felder in einer Richtung:

addieren

und in einer anderen Richtung:

teilweise oder vollständig auslöschen

Genau dieses Prinzip bildet die Grundlage vieler:

Richtantennen
Antennengruppen
Phased Arrays

Phased Array¶

Bei einem:

Phased Array

werden mehrere Antennenelemente mit kontrollierten:

Amplituden
Phasenlagen

gespeist.

Dadurch kann die Hauptstrahlrichtung beeinflusst werden.

In komplexen Systemen kann dies sogar ohne mechanisches Drehen der Antenne erfolgen.

Das Grundprinzip ist wichtig.

Die mathematische Auslegung komplexer Arrays gehört jedoch nicht zum grundlegenden HB3/HB9-Lernziel dieses Kapitels.

Welche Antenne für welche Aufgabe?¶

Es gibt keine universell beste Antenne.

Lokaler Mobilfunk¶

Oft sinnvoll:

vertikale Antenne
Rundstrahlcharakteristik

Kurzwellen-DX¶

Je nach Möglichkeiten:

horizontaler Dipol
Beam
Yagi
Quad

VHF/UHF-DX¶

Häufig:

Yagi
gestockte Yagis
andere stark gerichtete Systeme

Satelliten¶

Je nach System:

Yagi
gekreuzte Yagi
Helix
zirkular polarisierte Antenne

Mikrowellen¶

Häufig:

Parabolantenne
Horn
entsprechende Feed-Systeme

Antennengewinn und Wirkungsgrad nicht verwechseln¶

Eine Richtantenne kann hohen Gewinn besitzen, weil sie Energie räumlich konzentriert.

Der Wirkungsgrad beschreibt dagegen, welcher Anteil der zugeführten Leistung tatsächlich abgestrahlt wird.

Beispiel:

Eine Antenne könnte einen guten Richtfaktor besitzen, aber gleichzeitig hohe ohmsche Verluste haben.

Dann ist ihre tatsächliche Leistung schlechter, als der reine Richtfaktor vermuten lässt.

Richtwirkung und Gewinn¶

Auch diese Begriffe werden häufig gleichgesetzt, sind streng betrachtet aber nicht identisch.

Richtwirkung¶

beschreibt die räumliche Konzentration gegenüber einer idealisierten gleichmässigen Abstrahlung, ohne Verluste einzubeziehen.

Gewinn¶

berücksichtigt zusätzlich den Wirkungsgrad der realen Antenne.

Für das grundlegende Amateurfunkverständnis werden beide Begriffe in der Praxis häufig gemeinsam betrachtet.

Für HB9 ist die Unterscheidung technisch sinnvoll.

Anpassung und Gewinn sind unabhängig¶

Eine Antenne kann:

hohen Gewinn
schlechte Anpassung

besitzen.

Oder:

perfektes SWR
praktisch keinen Richtgewinn

zeigen.

Deshalb müssen folgende Eigenschaften getrennt beurteilt werden:

Anpassung
Wirkungsgrad
Richtwirkung
Gewinn
Bandbreite

Bandbreite einer Richtantenne¶

Auch Richtantennen besitzen einen begrenzten nutzbaren Frequenzbereich.

Mit zunehmender Abweichung von der Entwurfsfrequenz können sich verändern:

SWR
Gewinn
Vor-Rück-Verhältnis
Strahlungsdiagramm

Eine Yagi kann deshalb auf ihrer Entwurfsfrequenz ausgezeichnet funktionieren und an einem deutlich anderen Bandende bereits schlechtere Eigenschaften besitzen.

Antennenrichtung beim Empfang¶

Eine Richtantenne verbessert nicht nur das Sendesignal in eine gewünschte Richtung.

Beim Empfang kann sie gleichzeitig:

das Nutzsignal aus dieser Richtung bevorzugen
Störer aus anderen Richtungen unterdrücken

In stark gestörter Umgebung kann diese Richtwirkung wichtiger sein als zusätzlicher Sendegwinn.

Nullstellen können besonders wertvoll sein¶

Bei Empfangsproblemen ist nicht immer die Richtung mit dem grössten Gewinn entscheidend.

Eine tiefe:

Nullstelle

in Richtung eines Störers kann einen grossen praktischen Vorteil bringen.

Dies ist besonders bei:

Magnetic Loops
Richtantennen
Antennengruppen

nützlich.

Reziprozität¶

Eine passive lineare Antenne besitzt grundsätzlich dieselbe Richtcharakteristik beim:

Senden

und:

Empfangen

Eine Richtung mit hohem Sendegwinn besitzt deshalb grundsätzlich auch eine entsprechend hohe Empfangsempfindlichkeit.

Dies wird als:

Reziprozität

bezeichnet.

Drei Dinge, die man nicht verwechseln darf¶

Rundstrahler und Isotropstrahler¶

Begriff	Bedeutung
Rundstrahler	annähernd gleichmässige Abstrahlung in einer Ebene
Isotropstrahler	theoretisch gleiche Abstrahlung in alle Raumrichtungen

dBi und dBd¶

Angabe	Referenz
dBi	Isotropstrahler
dBd	Halbwellendipol

Richtwirkung und Leistung¶

Antennengewinn bedeutet:

Energie räumlich konzentrieren

nicht:

zusätzliche Energie erzeugen

Öffnungswinkel und Vor-Rück-Verhältnis¶

Öffnungswinkel

→ Breite der Hauptkeule

Vor-Rück-Verhältnis

→ Verhältnis Hauptstrahlrichtung zu exakt entgegengesetzter Richtung

Antennenübersicht¶

Antenne	typische Charakteristik	typische Polarisation	typische Anwendung
horizontaler Dipol	bidirektional	horizontal	Kurzwelle
vertikaler Dipol	Rundstrahler horizontal	vertikal	VHF/UHF
Groundplane	Rundstrahler horizontal	vertikal	mobil, VHF/UHF
Faltdipol	ähnlich Dipol	abhängig von Montage	Yagi-Speiseelement
Yagi	stark gerichtet	abhängig von Montage	DX, VHF/UHF
HB9CV	gerichtet	abhängig von Montage	portable/VHF/UHF
Quad	gerichtet	abhängig von Speisepunkt	KW bis UHF
Magnetic Loop	bidirektional mit Nullstellen	abhängig von Montage	KW, Empfang, kompakte Systeme
Parabol	stark gerichtet	abhängig vom Feed	Mikrowellen
Horn	gerichtet	abhängig von Aufbau	Mikrowellen
Helix axial	gerichtet	zirkular	Satelliten, Mikrowellen

Die Tabelle beschreibt typische Ausführungen. Viele Antennenformen können unterschiedlich aufgebaut und polarisiert werden.

Lernschema¶

Bei einer Frage zu einer Antennenform gehe in dieser Reihenfolge vor:

Welche Antennenform ist dargestellt?
Ist sie rundstrahlend oder gerichtet?
Wo liegt die Hauptstrahlrichtung?
Welche Polarisation besitzt sie?
Welche Elemente werden aktiv gespeist?
Gibt es parasitäre Elemente?
Welche Referenz wird für den Gewinn verwendet?
Wie breit ist die Hauptkeule?
Wie gross ist die Rückwärtsdämpfung?
Für welche praktische Aufgabe ist diese Antenne geeignet?

Die wichtigsten Zusammenhänge auf einen Blick¶

Antennengewinnfaktor:

\[ G = 10^{g/10} \]

Gewinn in dB:

\[ g = 10\cdot\lg(G) \]

Umrechnung zwischen dBd und dBi:

\[ g_i = g_d = + = 2{,}15\ \mathrm{dB} \]

Halbwellendipol:

\[ g_i = 2{,}15\ \mathrm{dBi} \]

Der 3-dB-Öffnungswinkel wird zwischen den beiden Richtungen gemessen, in denen die Leistung gegenüber dem Maximum um:

\[ 3\ \mathrm{dB} \]

abgefallen ist.

Merksätze¶

Ein Strahlungsdiagramm zeigt die Richtwirkung einer Antenne.

Ein horizontaler Dipol strahlt quer zu seiner Drahtachse am stärksten.

Eine vertikale Groundplane besitzt in der Horizontalebene eine annähernde Rundstrahlcharakteristik.

Ein Rundstrahler ist nicht dasselbe wie ein Isotropstrahler.

Der isotrope Strahler ist eine theoretische Referenzantenne.

Antennengewinn entsteht durch räumliche Konzentration der vorhandenen Energie.

Eine passive Antenne erzeugt keine zusätzliche Leistung.

dBi bezieht sich auf den Isotropstrahler.

dBd bezieht sich auf den Halbwellendipol.

Ein Halbwellendipol besitzt gegenüber dem Isotropstrahler 2,15 dB Gewinn.

Bei einer Yagi liegt der Reflektor hinter und die Direktoren vor dem gespeisten Element.

Die Hauptstrahlrichtung einer Yagi zeigt zur Direktorenseite.

Das Vor-Rück-Verhältnis vergleicht Vorwärts- und Rückwärtsrichtung.

Der 3-dB-Öffnungswinkel beschreibt die Breite der Hauptkeule zwischen den Halbwertspunkten.

Eine HB9CV besitzt zwei aktiv gekoppelte Elemente.

Eine Magnetic Loop bildet mit ihrem Abstimmkondensator einen resonanten Schwingkreis.

Parabol- und Hornantennen werden besonders bei kurzen Wellenlängen eingesetzt.

Eine axial betriebene Helix kann zirkular polarisiert sein.

Sende- und Empfangscharakteristik einer passiven Antenne sind grundsätzlich gleich.

Selbstkontrolle¶

Versuche die Fragen zuerst ohne Nachschlagen zu beantworten.

In welche Richtung strahlt ein horizontaler Halbwellendipol am stärksten?
Wie sieht sein vereinfachtes horizontales Strahlungsdiagramm aus?
Was bedeutet Rundstrahlcharakteristik bei einer Groundplane?
Was ist ein isotroper Strahler?
Kann ein isotroper Strahler ideal in der Realität gebaut werden?
Was bedeutet Antennengewinn?
Erzeugt eine passive Antenne zusätzliche Leistung?
Worauf bezieht sich dBi?
Worauf bezieht sich dBd?
Wie gross ist der Gewinn eines Halbwellendipols gegenüber dem Isotropstrahler?
Eine Antenne besitzt 6 dBd. Wie viel dBi entspricht dies?
Welche drei Grundelemente besitzt eine klassische Yagi?
Welches Yagi-Element wird direkt gespeist?
In welche Richtung zeigt die Hauptkeule einer Yagi?
Was bezeichnet das Vor-Rück-Verhältnis?
Was bezeichnet der 3-dB-Öffnungswinkel?
Was unterscheidet eine HB9CV grundsätzlich von einer klassischen Yagi?
Wie gross ist der Umfang eines einfachen resonanten Quad-Schleifenelements ungefähr?
Welche zwei wesentlichen Teile bilden den Resonanzkreis einer Magnetic Loop?
Warum besitzt eine kleine effiziente Magnetic Loop häufig eine geringe Bandbreite?
Wozu dient ein Parabolspiegel?
Wo liegt bei einer Parabolantenne das Speisesystem?
In welchem Frequenzbereich sind Hornantennen besonders verbreitet?
Welche Polarisation kann eine axial betriebene Helix erzeugen?
Warum kann eine Richtantenne den Empfang verbessern, obwohl der Empfänger selbst nicht empfindlicher wird?

Antworten¶

Quer zur Drahtachse.
Vereinfacht wie eine Acht.
Annähernd gleiche Abstrahlung in alle horizontalen Richtungen.
Eine theoretische Antenne, die in alle Raumrichtungen gleich abstrahlt.
Nein.
Die bevorzugte Konzentration der abgestrahlten beziehungsweise empfangenen Energie in bestimmte Richtungen gegenüber einer Referenzantenne.
Nein.
Auf den isotropen Strahler.
Auf den Halbwellendipol.
\(2{,}15\ \mathrm{dBi}\)
\(6+2{,}15 = 8{,}15\ \mathrm{dBi}\)
Reflektor, gespeistes Element und Direktoren.
Das gespeiste Element, häufig ein Dipol oder Faltdipol.
Zur Direktorenseite.
Das Verhältnis zwischen Abstrahlung in Hauptstrahlrichtung und in die exakt entgegengesetzte Richtung.
Die Winkelbreite der Hauptkeule zwischen den beiden Punkten, an denen die Leistung gegenüber dem Maximum um 3 dB abgefallen ist.
Bei der HB9CV werden zwei Hauptelemente aktiv mit definierter Phasenbeziehung gekoppelt. Bei der klassischen Yagi ist normalerweise nur ein Element direkt gespeist.
\(\lambda\)
Die Induktivität der grossen Schleife und der Abstimmkondensator.
Weil sie typischerweise eine hohe Güte besitzt.
Er bündelt elektromagnetische Energie zwischen dem Brennpunkt und einer stark gerichteten Welle.
Im beziehungsweise nahe dem Brennpunkt.
Besonders im Mikrowellenbereich.
Zirkulare Polarisation.
Weil sie das Nutzsignal aus der gewünschten Richtung bevorzugt empfängt und gleichzeitig Signale beziehungsweise Störungen aus anderen Richtungen abschwächen kann.

Prüfungsbezug HB3 und HB9¶

Die aktuellen BAKOM-Prüfungsvorschriften nennen ausdrücklich:

Antennentypen
Antenneneigenschaften
Antennenzuleitungen und Anpassung

Für dieses Kapitel sind insbesondere wichtig:

Halbwellendipol
Groundplane
Faltdipol
Richtantennen
Strahlungsdiagramme
Polarisation
Antennengewinn
Vor-Rück-Verhältnis
Öffnungswinkel
grundlegende Eigenschaften verschiedener Antennenformen

Die aktuelle BAKOM-Formelsammlung enthält:

Antennengewinnfaktor
Antennengewinn in dB
dBi
dBd
den Zusammenhang:

\[ g_i = g_d = + = 2{,}15\ \mathrm{dB} \]

Ältere schweizerische Prüfungsunterlagen enthalten zusätzlich klassische Fragen zu:

Yagi- und anderen VHF/UHF-Antennen
Faltdipol
Groundplane
HB9CV
Quad
Parabolantenne
Hornstrahler
Helix
Antennengewinn
Vor-Rück-Verhältnis
3-dB-Öffnungswinkel

Diese älteren Fragen sind keine aktuelle verbindliche Prüfungsgrundlage, zeigen aber typische Grundlagen der schweizerischen Amateurfunkausbildung.

Für HB9 sollte zusätzlich sicher verstanden werden:

Zusammenhang zwischen Gewinnfaktor und dB
Unterschied dBi und dBd
räumliche Feldüberlagerung
Bedeutung von Phasenlagen bei Richtantennen
Unterschied zwischen Richtwirkung und realem Antennengewinn

Impedanz, Anpassung und SWR folgen in Kapitel 6.

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