MOBILE TIMES Archiv Startseite : Archiv : Heft 21 : Artikel

Artikel aus Mobile Times 21

Antennen - Die Verbindung zur Welt

Teil II - Die Dipol-Antenne

Mehr als alles andere ist die Antenne verantwortlich für die Qualität eines Funkverkehrs. Doch woran mißt sich Antennenqualität? In dieser Serie wollen wir auf die Eigenschaften von Antennen eingehen.

Ein Dipol ist ein gestreckter Schwingkreis. Als solcher besitzt er natürlich eine Eigenfrequenz. Wenn man ungeordnete Energien in den Dipol hineinsteckt, so wird er auf seiner Eigenfrequenz am stärksten senden. Und wenn man auf vielen verschiedenen Frequenzen Sendungen hat, so wird der Dipol auf seiner Eigenfrequenz am besten empfangen.

Wie lange ist solch ein Dipol? Die Länge ist interessanterweise die halbe Wellenlänge (l/2). Wenn man nun weiß, daß die Wellenlänge gleich der Lichtgeschwindigkeit durch die Frequenz ist, so kann man sich die Wellenlängen für die verschiedenen genutzten Frequenzen leicht ausrechnen. Man kann natürlich auch andere Antennenlängen verwenden, jedoch verringert sich die nutzbare Leistung, wenn die Antennenlänge nicht ein Vielfaches der halben Wellenlänge ist.

In der Praxis ist der Dipol aber meist nicht nur eine Metallstange, sondern ist etwas komplexer aufgebaut. Dazu muß man wissen, wie die Verteilung von Strom und Spannung auf dem Dipol aussieht. Bei einem einfachen Dipol ist dabei der Strom an dem beiden Enden ein Minimum und in der Mitte ein Maximum, während es sich bei der Spannung genau umgekehrt verhält. Wenn man nun in der Mitte des Dipols die Anschlüsse des Antennenkabels befestigt, so tritt hier eine kleine Spannung und ein hoher Strom auf. Die Spannungsdifferenzen an den beiden Drähten des Antennenkabels entsprechen dem Abstand der beiden Leiter vom Nullpunkt. Diese Anordnung ist ein Halbwellendipol mit einem Anschlußwiderstand von etwa 60 W.

Nur ist das für die meisten praktischen Anwendungen zu niedrig, da ein zu niedriger Widerstand einen zu hohen Strom bedeutet, der empfindliche Komponenten einfach durchschmoren läßt. Daher verwendet man statt dessen einen Ganzwellendipol, bei dem die Antenne so lang wie die Wellenlänge ist. Nun bildet sich auf beiden Seiten des Anschlusses eine Halbwelle aus, und man hat in der Mitte einen Stromknoten und eine maximale Spannungsdifferenz, was bedeutet, daß der Anschlußwiderstand im Bereich über 1000 W liegt.

Leider ist diese Anordnung etwas groß, weswegen man in der Praxis einen Halbwellen-Faltdipol verwendet, der in den äußeren Abmessungen einem Halbwellendipol entspricht, aber in der Drahtlänge einem Ganzwellendipol entspricht. Der elektrische Strom teilt sich also auf zwei gleich lange Strecken auf, was bedeutet, daß am Anschluß nur noch der halbe Strom anliegt. Da aber die Leistung dieser Antenne etwa gleich dem einfachen Dipol ist, heißt das, daß die Spannung etwa doppelt so hoch ist, und damit der Endwiderstand viermal so hoch also bei etwa 240 W. Auf diesen Wert hat man sich auch in Deutschland bei der Normung von Fernsehantennen geeinigt. In Österreich wurden dagegen 300 W vorgeschrieben, was man dadurch erreichte, daß man die Drähte nicht parallel laufen läßt, sondern in der Mitte zusammenbiegt, womit sich der klassische "Brezel" ergibt, der meistens als Zimmerantenne für Fernseher verwendet wird. Heute hat sich das erübrigt, da in der Antennenanordnung ein Umsetzer auf 75 W Koaxialkabel vorhanden ist.

Welche Richtung hätten Sie denn gerne?

Doch neben dem Anschlußwiderstand der Antenne, der auf die übrigen Systemkomponenten abgestimmt sein muß, gibt es noch andere Anforderungen für eine gute Antenne. Eine davon ist die Richtwirkung, die darüber Aufschluß gibt, wie stark die Antenne vom idealen Punktstrahler abweicht. Diesen Effekt möchte man zum Beispiel bei Richtstrahlern, die eine gezielte Punkt-zu-Punkt Verbindung gestatten, ohne andere Empfänger zu stören oder von anderen Sendern gestört zu werden.

Schon die Dipolantenne selbst hat - im Unterschied zu dem idealen Punktstrahler - eine Richtwirkung, das heißt sie sendet nicht in alle Richtungen gleich, sondern in am stärksten in der Ebene im rechten Winkel zum Dipol. Die Oberschwingungen strahlen dann in einem Winkel näher zur Achse aus, während die Antenne entlang der Dipolachse überhaupt nicht strahlt.

Eine Möglichkeit diese Richtwirkung zu verstärken, ist es den Radius des Halbwellenfaltdipols zu vergrößern, bis man zum Kreisdipol kommt. Hier ist nicht mehr die Antenne eine Linie und der bevorzugte Abstrahlbereich eine Ebene, sondern genau umgekehrt. Die bevorzugte Abstrahlrichtung ist entlang der gedachten Geraden durch den Kreismittelpunkt, die im rechten Winkel zur Kreisebene steht. Man kann die Richtwirkung aber auch mit sogenannten Reflektoren und Direktoren erhöhen.

Ein Beispiel für einen Reflektor wäre eine Parabolschüssel, in deren Brennpunkt sich die Antenne befindet. Diese Variante ist technisch sehr einfach zu lösen, da man nur ein Metallblech mit der geeigneten Krümmung benötigt. Für Satellitenantennen, bei denen neben der Richtwirkung zum Satelliten auch die Bündelung der schwachen Einstrahlung wichtig ist, wird dieses System gerne verwendet. Für die Fernsehtechnik hat sich dieses System aus zwei Gründen nicht durchgesetzt: Zum einen benötigt es relativ viel Platz, da der Durchmesser der Schüssel mindestens der Wellenlänge entsprechen muß, und dieser Platzbedarf war ja schon ein Grund vom Ganzwellendipol abzugehen. Zum zweiten ist die Richtwirkung schon zu stark. Denn die Funkstrahlen werden hier genauso gebündelt, wie dies Lichtwellen in einem Autoscheinwerfer werden. Das heißt diese Antenne ist nur in einem relativ schmalen Richtwinkel empfindlich. Nun will man zwar die Wellen des lokalen Fernsehsenders verstärken, aber man will nicht die Antenne mit dem Millimetermaß ausrichten müssen, weswegen man zu einer anderen Lösung griff.

Denn man kann als Reflektor auch eine zweite Antenne die im Abstand 0,2l hinter dem Dipol sitzt verwenden. Dieser Reflektor ist aber um fünf bis sieben Prozent zu lange, als daß er in Resonanz wäre. Dadurch wird die Welle um genau diese 0,2l verschoben, wodurch sich für Wellen die von vorne kommen in Summe eine Verstärkung ergibt, während Wellen von hinten abgeschwächt werden. Diesen Effekt kann man noch verstärken, wenn man vor den Dipol Stäbe setzt, die um fünf bis sieben Prozent zu kurz sind. Die Welle wird ebenfalls verschoben, nur - da der Stab ja zu kurz statt zu lang ist - in die andere Richtung. Das System aus Halbwellenfaltdipol, Reflektor und Direktoren nennt man dann eine Yagi-Antenne, nach dem japanischen Physiker Hidetsugu Yagi (1886-1976), der diese Anordnung erfunden hat.

Die Yagi-Antenne ist derzeit die am stärksten verbreitete Außenantenne für den Fernsehempfang, und man kann sie, neben den zunehmenden Satellitenschüsseln, auf praktisch jedem Hausdach sehen. An dieser Stelle kann man auch bemerken, daß die Direktoren nach vorne zu immer kürzer werden, da die Verschiebung ja immer stärker werden muß, je weiter man vom Dipol entfernt ist.

GSM mit der Fernsehantenne

Die Yagi-Antenne hat in letzter Zeit einen neuen Wirkungsbereich erhalten: den Einsatz in stationären GSM-Anlagen. Dadurch, daß die beiden Netzbetreiber für Gespräche in ihrem eigenen Netz einen günstigere Tarife anbieten als für Gespräche mit dem Festnetz, lohnt es sich für Firmen Gespräche, die an ein Mobiltelephon gehen, umzuleiten. Dabei wird das Gespräch von der Telephonzentrale der Firma nicht an das Festnetz weitergeleitet - wobei dann ja die höheren Gebühren anfallen würden - sondern über ein angeschlossenes GSM-Telephon, wodurch man das Gespräch von "Mobil"-zu-Mobil führt und den niedrigeren Tarif zahlt.

Als festes GSM-Telephon verwendet man natürlich kein Handy, sondern baut es fix in die Telephonanlage ein und führt dann ein Kabel zu einer Antenne, die man direkt auf die nächste Basisstation des jeweiligen Betreibers ausrichtet. Und als Antenne verwendet man eine Yagi-Antenne, da man hier mit wenig Aufwand sehr gute Resultate erzielen kann. Die Antenne ist übrigens deutlich kleiner ans Fernsehantennen, denn während l/2 beim Fernsehen etwa 60 bis 70 Zentimeter beträgt, sind das bei den 900 MHz von GSM nur noch 15 Zentimeter, und bei den 1800 MHz des dritten Betreibers werden es überhaupt nur noch 8 Zentimeter sein.

Was passiert, wenn man die Dipolantenne senkrecht stellt, und welche Eigenschaften eine Antenne noch haben soll, erfahren Sie in der nächsten Folge in Mobile Times 22 (>>).

Michael Köttl