MOBILE TIMES Archiv Startseite : Archiv : Heft 23 : Artikel

Artikel aus Mobile Times 23

Antennen - Die Verbindung zur Welt

Teil IV - Die Helix-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 (>>) sind wir ein wenig auf die vertikale Langdrahtantenne eingegangen, die man bei GSM-Sendemasten und Handys oft vorfindet. Nebenbei hatten wir auch die Begriffe Richtwirkung, Bandbreite und Wellenwiderstand erörtert, die alle für die Leistung einer Antenne wichtig sind. Eine Eigenschaft von Antennen fehlt uns aber noch, und das ist der Gewinn.

Wenn man in zwei Antennen mit der gleichen Leistung hineingeht, so müssen sie noch lange nicht die gleiche Leistung abstrahlen. Oder umgekehrt herum: Wenn zwei Antennen nebeneinander im Feld der GSM-Basisstation sind, so müssen nicht beide dieselbe Leistung an das Handy weitergeben. Diese Unterschiede will man natürlich normieren, denn es nutzt wenig zu sagen: "Die Antenne ist besser als die andere." Man möchte wissen, um wieviel besser.

Das Dezibel

Dazu gibt es ein Maß, das in vielen Zusammenhängen verwendet wird, wenn es um den Vergleich von zwei Leistungen geht: das Dezibel, abgekürzt dB. Die Definition des Dezibels ist "der zehnfache dekadische Logarithmus des Verhältnisses der Leistung zur Normleistung". Um das ganze etwas zu verdeutlichen, wollen wir ein Beispiel aus dem täglichen Leben aufgreifen. Schallstärken werden fast überall nur mehr in dB angegeben - was auch sehr sinnvoll ist, da das menschliche Ohr logarithmisch hört.

Die "Normleistung" ist in diesem Fall die Hörschwelle des menschlichen Ohres. Die 30 dB eines normallauten Gesprächs bedeuten daher, daß dieses 1000mal so laut ist wie die Hörschwelle. Autoverkehr ist mit 70 dB 10 Millionen mal so laut wie die Hörschwelle oder 10.000mal so laut, wie das Gespräch. Man sieht, wenn man zum Dezibelwert 10 addiert, wird die Leistung mit 10 multipliziert; und das ist auch schon das ganze Geheimnis hinter der Formel. Man kann noch hinzufügen, daß eine Verdoppelung der Leistung eine Steigerung von 3 dB bedeutet, beziehungsweise 1 dB Gewinn eine Steigerung der Leistung um den Faktor 1,26.

Welche Antenne hört besser?

Wenn wir jetzt zu den Antennen zurückkehren, so ist die Frage, was man als "Normleistung" definiert. Um die Sache schön kompliziert zu machen, gibt es drei verschiedene Maße für den Gewinn von Antennen: dB, dBi und dBd. dBi bezieht sich auf den idealen Punktstrahler, den man auch als "isotropische Antenne" bezeichnet - daher auch das i bei dBi -, der in alle Richtungen gleich strahlt. Diese Antenne gibt es in der Realität natürlich nicht, aber sie ist ein guter Anhaltspunkt für eine Normung, da man diese Antenne sehr leicht durchrechnen kann. Für praktische Zwecke verwendet man aber noch zwei andere Nullpunkte, und zwar dBd, das sich auf die Dipolantenne bezieht, und dB, das die l/4-Antenne als Maßstab nimmt.

Man kann diese Zahlen natürlich ineinander umrechnen. Der Dipol hat einen Gewinn gegenüber der isotropischen Antenne, da die eingesetzte Leistung ja nicht über den gesamten Raum verteilt, sondern in Keilform gebündelt wird. Die effektive Leistung ist daher höher, und zwar um das 1,6fache, was einem Gewinn von 2,15 dB gegenüber dem Punktstrahler entspricht. Da die Dipolantenne keinen Gewinn gegenüber einer Dipolantenne hat, ist 0 dBd daher 2,15 dBi - entsprechend sind dann 1 dBd 3,15 dBi und so weiter.

Ähnlich schaut es bei der l/4-Antenne aus, nur ist hier der Gewinn gegenüber dem Punktstrahler 3 dBi, das heißt 0 dB gleich 3 dBi gleich 0,85 dBd.

Wie kann man jetzt aber einen Gewinn gegenüber den Normantennen erreichen? Nun, indem man die Antenne größer macht. Eine Verdoppelung der Antennengröße bedeutet eine Verdoppelung der aus dem Strahlungsfeld aufgenommenen Leistung und damit einen Gewinn von 3 dB - und zwar ganz egal, nach welcher Basis man das bemißt.

Natürlich ist diese Methode für Handys nicht sehr praktikabel, da man ja nicht eine lange Antenne spazierentragen kann. Aber bei passiven Autoantennen kommt genau diese Wirkung zum Tragen, denn hier kann die Antenne ja länger sein.

Das Ausziehen der Antenne hat übrigens nichts mit einem solchen Längengewinn zu tun. Die Antenne funktioniert auch eingeschoben mit ihrer vollen Länge. Nur ist der Teil der Antenne, der im Gehäuse liegt, natürlich etwas abgeschirmt. Durch das Ausziehen wird die Antenne also nicht vergrößert, sondern nur von der Abschirmung befreit.

Bei aktiven Antennen kommt dann noch die Elektronik zu Hilfe. Zwischen der Antenne und der Halterung für das Handy ist ein möglichst rauscharmer Verstärker, der das empfangene Signal entsprechend verstärkt, sodaß ein höherer Gewinn möglich ist, als mit einer verbesserten Antenne alleine. Allerdings muß man bedenken, daß jede zusätzliche Elektronik natürlich auch Rauschen hinzufügt beziehungsweise das Hintergrundrauschen mitverstärkt. Daher sind auch diesen Verstärkern Grenzen gesetzt, wenn die Feldstärke sehr niedrig ist.

Die Spirale fürs Handy

Noch anders sieht es aus, wenn man statt einer Langdrahtantenne - oder einem System von Langdrahtantennen, wie es zum Beispiel die Yagi-Antenne ist - eine Helixantenne verwendet. Zur Erinnerung: Ein Dipol ist ein elektrischer Schwingkreis, bei dem die Spule zu einer Geraden gestreckt und der Kondensator aufgebogen wurde. Man kann auch den umgekehrten Weg gehen, bei dem der Kondensator zwar ebenfalls zu einer Luftschnittstelle zwischen zwei Drahtenden wird, aber die Spule erhalten bleibt. Das Resultat ist ein gewendeltes Stück Draht, das man dann als Helix-Antenne bezeichnet.

Diese Antenne ist bei all jenen Handys vorhanden, deren Antenne nicht ausziehbar sondern ein kleiner Stoppel ist, der sicherlich nicht die acht Zentimeter einer l/4-Antenne hat. Dank der Werbung für das Ericsson SH 888 kann man sogar auf der Straße sehen, wie so eine Helix-Antenne aussieht. Genauer gesagt sieht man auf dem Plakat in dem Antennenteil sogar zwei Spiralen: eine Helix-Antenne für 900 MHz und eine für 1800 MHz.

Der Hauptunterschied zwischen der Helixantenne und einer Langdrahtantenne ist die Bandbreite. Während eine Dipolantenne oder eine l/4-Antenne über einen weiten Bereich brauchbare Ergebnisse liefert - weswegen man in einem Radio auch UKW und KW empfangen kann - hat die Helixantenne nur einen schmalen Bereich, in dem sie nutzbare Leistung liefert.

Das ist auch der Grund, warum Dual-Band-Handys mit Helixantenne immer zwei davon haben müssen. Doch kein Nachteil ohne Vorteil: Während die Langdrahtantennen einen Gewinn im Bereich von 2 bis 3 dBi aufweisen können und Antennenanordnungen, wie zum Beispiel der Yagi-Antenne, eine Steigerung auf 6 bis 8 dBi bieten - was man mit geeigneten Anordnungen natürlich weiter erhöhen kann -, so hat die Helixantenne schon von vornherein einen Gewinn von 10 bis 12 dBi. Das ist auch der Grund, warum man in der Astronomie gerne Helix-Antennen einsetzt, da man hier mit sehr schwachen Signalen arbeiten muß und daher für jedes bißchen an Leistungsgewinn dankbar ist.

Nachdem wir nun die Antennentypen, die man im Mobilfunk einsetzt besprochen haben steht natürlich die Frage im Raum, wo man das in der Praxis findet. Darauf gehen wir in der nächsten Folge in Mobile Times 24 (>>) näher ein.

Michael Köttl