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Artikel aus Mobile Times 22

Antennen - Die Verbindung zur Welt

Teil III - Die Vertikal-Antenne

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

In der letzten Folge (>>) sprachen wir über horizontale Dipol-Antennen, wie man sie hauptsächlich von Fernsehantennen kennt. Zwar gibt es auch hier eine Anwendung für GSM, doch am meisten interessiert natürlich eine vertikal stehende Antenne, denn diese Antennen sind es, die bei Sendemasten und den Handys verwendet werden.

Ein Dipol hat natürlich, wenn er vertikal gestellt wird, genauso eine Resonanzfrequenz wie ein horizontaler Dipol. Jedoch ist diese bei gleicher Länge des Dipols kleiner. Denn bei einem vertikalen Dipol interagieren die Feldlinien mit der Erdoberfläche, wodurch die Antenne plötzlich zum l/4-Dipol wird - ein sogenannter Viertelwellenstrahler. Das heißt, bei gleicher Antennenlänge ist die Resonanzwellenlänge doppelt so groß und die Resonanzfrequenz beträgt nur die Hälfte. Bei Autos tritt die Karosserie als Erdung auf. Beim Langwellenradio, das ja Wellenlängen von bis zu 2000 Meter hat, wird dieser Erdungseffekt sehr geschätzt, da mit l/4 die Antenne nur 500 Meter lang sein muß. Hier ist also der gesamte Antennenmast die Antenne!

Ein weiterer Unterschied zwischen dem horizontalen und dem vertikalen Dipol ist die Richtwirkung. In beiden Fällen tritt natürlich eine Richtwirkung entlang der Hauptachse des Dipols auf. Da die Hauptachse aber senkrecht steht, ist für den Betrachter auf der Erdoberfläche keine Richtwirkung gegeben, sondern er sieht die Antenne als Rundumstrahler. Auch dieser Effekt ist für Radiosender sehr erwünscht, da man ja das gesamte Sendegebiet möglichst gleichmäßig ausleuchten will. Auch für Radioantennen auf einem Auto ist das Prinzip "keine Richtwirkung" dienlich, da man ja sonst während des Fahrens die Antenne ständig neu ausrichten müßte.

Es gibt aber auch hier eine Möglichkeit, eine Richtwirkung zu erzielen, indem man eine zweite Antenne daneben stellt, die dann aber nicht mit dem Stromleiter verbunden ist, sondern mit dem Erdleiter. In der Praxis sieht diese Anordnung wie ein V aus, das eine Richtwirkung ähnlich einer Rahmenantenne hat, nämlich entlang einer Achse im rechten Winkel zu der Ebene, die durch die beiden Antennenelemente aufgespannt wird, wobei man einen Anschlußwiderstand von 50 W bekommt, was genau zu gängigen Koaxialkabeln paßt. Wenn man dagegen drei Radialelemente im Winkel von 120° oder vier Radialelemente im Winkel von 90° um die zentrale Antenne anordnet - wobei alle diese Radiale natürlich mit der Erdleitung verbunden sind -, so bekommt man wieder eine Antenne ohne Richtwirkung. Man verwendet es aber trotzdem, da man ja einerseits oft eine Antenne ohne Richtwirkung benötigt, andererseits aber durch den Winkel zwischen Radialteil und Antenne den Ausgangswiderstand zwischen 34 W und 50 W genau auf das jeweils verwendete Koaxialkabel abstimmen kann und sich so einen Übersetzer erspart, der natürlich wieder zusätzliches Rauschen in das Signal einbringt.

Mittelspeisung und Endspeisung?

Damit ist keine Betriebsküche gemeint, sondern mit Speisung bezeichnet man den Punkt der Antenne, an dem die elektrische Energie zugeführt wird (oder einer Empfangsantenne entnommen). Und das kann man natürlich in der Mitte, am Ende oder irgendwo dazwischen machen. Bei horizontalen Dipolantennen verwendet man meistens eine Mittelspeisung, und auch bei vertikalen Viertelwellenstrahlern, die ja scheinbar am Ende gespeist werden, liegt in Wirklichkeit eine Mittelspeisung vor, da ja die untere Hälfte der Antenne virtuell in der Erdung vorhanden ist.

Wenn wir aber eine nicht geerdete sondern isolierte Vertikalantenne verwenden - wobei isoliert hier nicht nur heißt, daß keine direkte Verbindung zwischen Antenne und Erde besteht, sondern auch, daß die Antenne mindestens drei bis fünf Wellenlängen von der Erde oder einem großen Leiter entfernt ist, da es sonst wieder zu elektrischen Feldeffekten kommt -, so sieht die Sache schon wieder anders aus: Erstens ist die Antenne nun wieder ein Halbwellendipol. Zum anderen ist es technisch meist praktischer, die Antenne am Ende zu speisen als in der Mitte. Wenn man nun einen Dipol in der Mitte speist, so ist sein Eingangswiderstand 72 W, wenn man ihn hingegen am Ende anschließt, so sind es weit über 1000 W (theoretisch unendlich, aber sowohl die Antenne als auch die Zuleitung haben einen Innenwiderstand, der das theoretische Ergebnis für ideale Drähte unmöglich macht).

Nun muß man sich eine Möglichkeit ausdenken, wie man von den 50 W Wellenwiderstand des Koaxialweges auf die über 1000 W der Antennenspeisung kommt. Das ist wichtig, denn das Verhältnis dieser beiden, das auch als "Stehwellenverhältnis" bezeichnet wird, bestimmt, wieviel der eingespeisten Energie tatsächlich ausgestrahlt wird, und wieviel davon durch diesen Unterschied "aufgefressen" wird.

Eine Möglichkeit dafür ist natürlich ein elektronischer Umsetzer. Doch alle diese Bauteile, seien es jetzt Umsetzer, Verstärker oder andere Bauteile - egal ob sie aus Röhren oder Transistoren gebaut sind - fügen dem Signal Rauschen hinzu.

Ein anderes Mittel ist die sogenannte Viertelwellenanpaßleitung: das sind zwei parallele Leiter mit einer Länge von l/4, die an beiden Enden kurzgeschlossen sind: An dem Ende, das mit der Zuleitung verbunden wird mit einem Widerstand von 0 W (also einem möglichst dicken, gut leitenden Kabel), an dem Ende, das mit der Antenne verbunden ist mit einem unendlich hohen Widerstand (der in Praxis genauso "unendlich" ist, wie der Anschlußwiderstand der Antenne). Die ganze Anordnung nennt man wegen ihrer Form oft "J-Antenne" oder auch "Zepp", da diese Form erstmals für die Bordfunkanlagen der Zeppeline eingesetzt wurde.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Antenne über eine Spule induktiv anzukoppeln. Durch das Verhältnis der Blindwiderstände der beiden Spulen kann man das Stehwellenverhältnis recht gut kontrollieren. Diese Spule am unteren Antennenende kann man bei manchen Autoantennen sogar sehen, wobei Spulen dieser Abmessungen bei Radiofrequenzen einen Widerstand von etwa 50 - 60 W haben, während sie bei den Frequenzen von GSM etwa 500 W hätten. In der Praxis sind daher die Kopplungsspulen bei Autodachantennen für GSM kleiner, und da diese Antennen auch meistens mit Kunststoff ummantelt sind, sieht man nur mehr eine Verdickung am unteren Ende der Antenne. Ob da drinnen nun aber eine Kopplungsspule oder ein bißchen Elektronik ist, das kann man von außen natürlich nicht sehen.

Die goldene Mitte

Man kann Antennen natürlich nicht nur in der Mitte oder am Ende speisen, sondern auch an dem Punkt dazwischen. Diese Antennenart nennt man nach dem Erfinder eine "Windom-Antenne". Der charakteristische Widerstand dieser Art von Speisung ist 600 W, wodurch man die Antenne in einem weiten Bereich um die Resonanzfrequenz mit brauchbaren Werten für das Stehwellenverhältnis betreiben kann. Die Betonung liegt dabei auf "brauchbar", denn natürlich wird die Ausbeute nie so gut sein wie bei einem Dipol, der auf seiner Resonanzfrequenz arbeitet, doch wenn man zum Beispiel ein Radio auf Langwelle, Kurzwelle und UKW betreiben will, so hat man die Wahl, entweder eine Antenne mit einem mittelmäßigen Empfang zu verwenden, oder aber mehrere Antennen, was dann zwar bessere Resultate liefert, aber natürlich auch aufwendiger ist.

Bei den meisten Autoradios hat man nur eine Antenne, die ihre Resonanzfrequenz im UKW-Bereich hat, wo sie auch den besten Empfang liefert. Will man aber auch Kurzwelle empfangen, so wird man eine abgestimmte Antenne verwenden müssen. Dazu wird man dann eben solch eine Windom-Antenne einsetzen - denn mäßiger Empfang ist manches Mal besser als gar keiner.

Neben Richtwirkung, Bandbreite und dem richtigen Wellenwiderstand hat eine Antenne noch eine wichtige Eigenschaft: den Gewinn. Was es damit auf sich hat, erfahren Sie in der nächsten Folge in Mobile Times 23 (>>).

Michael Köttl