Antennentechnik
Eine
Antenne dient zum Empfangen oder Senden von
elektromagnetischen_Wellen. Die Baugröße liegt in der Größenordnung der Wellenlänge, bei kurzen Wellenlängen auch ein Vielfaches und bei sehr langen auch einen Bruchteil davon und reicht von mehreren 100 m für den
Längstwellenbereich bei unter 10 kHz bis hinab zu wenigen Millimetern für den Höchstfrequenzbereich bei über 50 GHz.
Eine Sendeantenne wandelt elektromagnetische, leitungsgebundene Wellen in Freiraumwellen um, die eine Empfangsantenne wieder in leitungsgebundene elektrische Wellen zurückwandelt.
Geschichte
Der Italiener
Guglielmo Marconi erfand 1894 die drahtlose Telegraphie. 1897 stellte er das Verfahren der Öffentlichkeit vor und übertrug Signale über eine Distanz von 14 km. Bei seinen Versuchen verwendete er einen Draht an einer hölzernen Zeltstange. Aus dem italienischen Namen für Zeltstange
l'antenna centrale leitet sich das Wort für Antenne ab.
Systematische Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften von Antennen gehen zurück auf den
deutschen Physiker
Heinrich_Hertz, die auf den theoretischen Grundlagen des Engländers
James Clerk Maxwell aufbauten.
Mit einer Drachenantenne in 100 m Höhe überbrückte Marconi 1901 den Atlantik.
Der Erste Weltkrieg markiert 1914 den eigentlichen Beginn der Antennentechnik. Man benutzte zunächst
Rahmenantennen als Empfänger. Um 1920 folgten
Antennenarrays, später
Hornstrahler und
Parabolantennen.
Prinzip
Elektromagnetische Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich im Raum ausbreiten.
Die Erzeugung der elektromagnetischen Wellen kann mit einem elektrischen oder einem magnetischen Wechselfeld erfolgen, die sich ausbreitende Welle besteht immer aus einer Kombination von beiden. Eine exakte physikalisch-mathematische Beschreibung liefern die
maxwellschen_Gleichungen bei vorgegebenen Randbedingungen. In der Praxis berechnet man die Abstrahlung der Energie durch Näherungsverfahren.
Reziprozität
Reziprozität oder Umkehrbarkeit ist gegeben, wenn in einer Anordnung die Position von Ursache und Wirkung miteinander vertauscht werden können, ohne dass die Verknüpfung zwischen Ursache und Wirkung sich ändert. Antennen sind grundsätzlich reziprok. Sie zeigen sowohl beim Senden als auch beim Empfang gleiche Eigenschaften. In der Praxis gilt die Reziprozität nur begrenzt. Eine Antenne, die für den Empfang ausgelegt ist, wird evtl. beschädigt, wenn sie die hohen elektrischen Leistungen einer Sendeanlage abstrahlen soll. Als Sendeantennen sind auch solche Empfangsantennen ungeeignet, die Ferrite oder ein aktives Verstärkerelement enthalten.
Funktionsprinzip
Die Entstehung einer Antenne als Resonanzgebilde erläutert die Grafik anhand einer
Dipolantenne. Eine einfache Dipolantenne erzeugt bzw. empfängt sowohl elektrische, als auch dazu senkrecht stehende magnetische Felder. Man kann sie sich als
entarteten Schwingkreis aus Kondensator und Spule vorstellen: Die Kondensatorplatten werden je um ±90° nach außen gedreht und zu einem Leiter geformt; die Leitungsinduktivitäten übernehmen die Funktion der Spule.
Wird der Kreis in elektrische Schwingungen versetzt, bilden sich geschlossene elektrische
(E) Feldlinien (in der Animation blau), die das System mit Lichtgeschwindigkeit verlassen. Die senkrecht zum
E-Feld verlaufenden Magnetfelder bilden geschlossene Kreise um den Leiter (in der Animation rot). Im
Nahfeld nimmt die
Feldstärke proportional zur dritten Potenz der Entfernung
r ab. Im Fernfeld verringert sie sich lediglich proportional
1/r.
Die
Leistungsdichte der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen ist dem Produkt aus elektrischer und magnetischer Feldstärke proportional und nimmt daher mit 1/r² ab (Abstandsquadratgesetz).
Die Orientierung der abgestrahlten elektrischen Feldlinien gegenüber der Erdoberfläche heißt
Polarisation.
Ist die Orientierung zeitlich unverändert, spricht man von linearer horizontaler oder linearer vertikaler Polarisation. Ist die Stärke des elektrischen Feldes zeitlich konstant, die Richtung der Feldlinien jedoch zeitabhängig, so liegt zirkulare Polarisation vor (linksdrehende oder rechtsdrehende zirkulare Polarisation). Wenn Empfangs- und Sendeantenne nicht die gleiche Polarisationsart und -richtung haben, wird die Signalübertragung stark gedämpft.
Eine Antenne wirkt prinzipiell am besten, wenn sie auf die Wellenlänge abgestimmt ist, die sie empfangen oder senden soll. Man nennt das wie beim Schwingkreis und anderen schwingungsfähigen Gebilden: Resonanz. Die Resonanzfrequenz wird durch die Abmessungen der Antenne bestimmt. Durch spezielle konstruktive Maßnahmen kann man erreichen, dass der Fußpunktwiderstand über einen großen Frequenzbereich weitgehend konstant bleibt und somit ein breites Frequenzband übertragen werden kann (
Breitbandantennen).
Antennenparameter
Verschiedene Parameter charakterisieren eine Antenne:
=' target='blank'>Strahlungswiderstand
=
Der Strahlungswiderstand
einer Antenne ist eine formale Größe, die den Zusammenhang zwischen dem Antennenstrom
im Speisepunkt (an den Anschlussklemmen) und der im Wellentyp gewandelten Leistung
