Hinweis: Dieser Onlinelehrgang basiert auf den Prüfungsfragen aus dem aktuellen Fragenkatalog der BNetzA für die Klasse E nach den Regeln der "Novice Licence".

Übersicht

Die Antenne hat die Aufgabe, hochfrequente elektrische Signale in Form eines elektromagnetischen Feldes abzustrahlen (siehe Lektion 8) beziehungsweise umgekehrt ein elektromagnetisches Feld aufzufangen und in hochfrequente elektrische Signale umzuformen, die über ein HF-Kabel dem Empfänger zugeführt werden.

Jeder gestreckte Draht, durch den ein hochfrequenter Wechselstrom fließt, erzeugt ein elektromagnetisches Feld und ist damit eine Sendeantenne. Wir besprechen hier im Amateurfunklehrgang nur Sendeantennen und zwar zunächst solche für den Kurzwellenfunkbetrieb und zum Schluss noch Richtantennen für den VHF/UHF-Bereich.

Empfangs- und Sendeantennen unterscheiden sich nicht grundsätzlich. Eine gute Sendeantenne ist zumindest im Kurzwellenbereich auch immer eine gute Empfangsantenne. Umgekehrt gilt dieser Satz allerdings nicht. Während man mit einer Zimmerantenne, Radio-Teleskopantenne oder einer Ferritantenne auch im Kurzwellenbereich noch ganz gut empfangen kann, ist der Betrieb eines KW-Senders mit solchen Antennen kaum möglich.

Weil der Antennenbau im Kurzwellenbereich für Funkamateure ein sehr beliebtes Gebiet für den Selbstbau ist, soll hier im Lehrgang die Theorie der Sendeantennen etwas ausführlicher besprochen werden, als dies für die Prüfung eigentlich notwendig wäre.

Strom- und Spannungsverteilung

Sie wissen aus Lektion 8 (Bild 8-5), dass man sich einen Halbwellendipol als auseinander gezogenen Schwingkreis vorstellen kann. Der Draht stellt eine Induktivität dar. Außerdem verhalten sich die Drähte zueinander wie ein Kondensator aus vielen kleinen Kapazitäten. Nehmen wir der Einfachheit halber an, der Dipol besteht wie in Bild 11-1a aus fünf Induktivitäten L1 bis L5 und drei Kapazitäten C1 bis C3.

Durch die angelegte Wechselspannung haben alle Kondensatoren im gleichen Augenblick eine bestimmte Ladung (hier zum Beispiel links positiv). Dann entlädt sich der Kondensator C1 über L3 und verursacht in der Antenne einen Strom I1, der im Bild 11-1b als Pfeil gezeichnet ist. C2 entlädt sich über L2, L3 und L4 und erzeugt einen Strom I2. Durch L2 fließen also beide Ströme I2 und I3. Schließlich entlädt sich C3 über L1 bis L5 und liefert den Strom I3. In der Mitte des Strahlers fließt die Summe aller drei Ströme.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-1: Strom- und Spannungsverteilung auf einem Halbwellendipol

Da es sich um Wechselstrom handelt,  werden die einzelnen Ströme I1 bis I3 zunächst kleiner und dann negativ. In der nächsten Halbwelle sind die Kondensatoren mit umgekehrter Polarität geladen und die Ströme fließen in umgekehrter Richtung. Diese Richtung wurde im Diagramm Bild 11-1c durch i’ und u’ angedeutet. Man verwendet hier kleine Buchstaben für Strom und Spannung, um anzudeuten, dass es sich um zeitlich veränderliche Größen handelt, nämlich um hochfrequente Wechselgrößen.

Zeichnet man für jeden Augenblick eine Stromkurve (i bzw. i’), erhält man ein Diagramm wie im mittleren Teil von Bild 11-1c. Man sagt: In der Mitte liegt der Strombauch, an den Enden die Stromknoten.

Anders verhält es sich mit der Spannung. Durch die Aufladung der Kondensatoren war die Spannung auf der linken Seite positiv, auf der rechten Seite negativ. Zur Mitte hin wird die Spannung immer kleiner und genau in der Mitte null. Dort, wo der Strombauch liegt, befindet sich der Spannungsknoten und umgekehrt.

Merke: In der Mitte einer Halbwellen-Antenne ist immer der Strombauch. Dort wo ein Strombauch ist, muss ein Spannungsknoten sein und umgekehrt.

In der Praxis zeichnet man nicht so viele Strom- und Spannungskurven, sondern nur die äußeren, wie im folgenden Bild.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-2: Strom- und Spannungsverteilung auf einem Halbwellendipol, anders gezeichnet

 

Impedanz

Das Verhältnis aus Spannung zu Strom an der Einspeisestelle der Antenne stellt einen Wechselstromwiderstand Z dar, den man mit Impedanz oder Fußpunktwiderstand oder auch mit Speisewiderstand bezeichnet.

Z = U
I

Beispielsweise ergäbe eine Hochfrequenz-Spannung von 10 V geteilt durch einen HF-Strom von 200 mA eine Impedanz von 50 Ohm. In der Praxis liegt dieser Fußpunktwiderstand bei etwa 30 bis 80 Ohm. Dieser Wert hängt im Wesentlichen von der Höhe der Antenne über dem Erdboden ab.

In Bild 11-3 ist die Abhängigkeit von der Höhe eingetragen. Hieraus erkennen Sie, dass die Impedanz sich bei großer Höhe (über ein Lambda) dem Wert 70 Ohm annähert. Der höchste Wert bei einem Drittel von Lambda ist 87 Ohm. Bei 0,15 λ Höhe (12 m im 80-m-Band) lese ich 50 Ohm ab.

 

Prüfungsfrage

TH204  Die Impedanz in der Mitte eines Halbwellendipols beträgt je nach Aufbauhöhe ungefähr ...
60 bis 120 Ohm
120 bis 240 Ohm
40 bis 80 Ohm
240 bis 600 Ohm

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-3: Fußpunktwiderstand in Abhängigkeit von der Höhe für einen Halbwellendipol, gestrichelt für eine Inverted-V-Antenne

Aus dem Diagramm Bild 11-2 erkennen Sie, dass bei einem Draht, dessen Länge gerade eine halbe Wellenlänge beträgt, in der Mitte der meiste Strom fließt (Strombauch). Man sagt, die Antenne ist an dieser Stelle stromgespeist. Für die Stromspeisung eignet sich Koaxialkabel, das es mit Wellenwiderständen von üblicherweise 50 und 75 Ohm gibt.

Es ist grundsätzlich möglich, die Hochfrequenzenergie auch an anderen Stellen des Antennendrahtes einzuspeisen. Die Einspeisung bei zirka einem Drittel der Länge führt zur Windom-Antenne, die in dieser Lektion noch besprochen wird. Als endgespeiste Antennen werden später die Fuchs-Antenne und die Zeppelinantenne behandelt. Endgespeiste Antennen mit der Länge λ/2 sind allerdings hochohmig, wie Sie in Bild 11-2 erkennen, denn dort ist die Spannung hoch und der Strom hat sein Minimum. Dies gibt eine hohe Impedanz. Man sagt, die Antenne wird in diesem Fall spannungsgespeist.

In der Praxis liegt die Impedanz bei Spannungsspeisung etwa zwischen 300 und 600 Ohm. Die Speisung mit Koaxialkabel ist nicht mehr sinnvoll. Wenn sich der Sender in der Nähe der Antenne befindet, kann man den Ausgang des Senders über ein Antennenanpassgerät direkt anschließen. Ansonsten ist für Spannungsspeisung die Paralleldrahtleitung (siehe Lektion 10) geeignet.

 

Prüfungsfrage

TH206  Ein Halbwellendipol wird auf der Grundfrequenz in der Mitte
spannungsgespeist.
stromgespeist.
endgespeist.
parallel gespeist.

 

Länge einer Antenne

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-4: Gestreckter Halbwellendipol

Ein Antennendraht darf grundsätzlich beliebig lang sein. Soll die Antenne allerdings ohne Zusatzanpassung mit einem Koaxkabel gespeist werden, kommen nur bestimmte Längen in Bezug auf die Wellenlänge infrage. Der Halbwellendipol mit Mitteleinspeisung ist die „klassische“ Lösung.

Beispiel
Berechnen Sie die ungefähre Länge eines Halbwellendipols für 3,6 MHz.

Lösung:

In der Praxis müssen bei Kurzwellenantennen, die ja relativ bodennah hängen, zirka 3 bis 5% von dieser Länge abgezogen werden. Den genauen Wert ermittelt man später messtechnisch mit einem SWR-Meter (Lektion 17). Für einige Kurzwellenbänder sind die ungefähren Längen eines Halbwellendipols in folgende Tabelle eingetragen.


Tabelle 11-1: Ungefähre Längen eines Halbwellendipols für verschiedene Kurzwellenbänder

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 11-5: Stromverteilung auf einem 20-m-Dipol bei 7 und bei 21 MHz

Aufgabe>
Zeichnen Sie den Stromverlauf für das 40-m-Band (7 MHz) und für das 15-m-Band (21 MHz) für eine zirka 20 m lange Antenne.

Lösung: Für das 40-m-Band passt genau eine halbe Wellenlänge hinein. 21 MHz ist die dreifache Frequenz, also ein Drittel der Wellenlänge. Es passen drei halbe Wellenlängen hinein (siehe Bild 11-5).

Interessanterweise entsteht in diesem Fall  auch im 15-m-Band in der Mitte ein Strombauch. Damit kann die 20 m lange Antenne nicht nur im 40-m-Band sondern auch im 15-m-Band in der Mitte ohne Anpassgerät mit Koaxkabel gespeist werden.

Antennen, die eine Länge von einem Vielfachen von Lambda-Halbe haben, heißen resonante Antennen. Antennen müssen aber nicht unbedingt resonant sein. Jede beliebige Länge kann verwendet werden. Allerdings müssen solche Antennen mit einem Anpassgerät angepasst werden (Bild 11-6 und TH210).

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-6: 30-m-Universaldipol

 

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Das Richtdiagramm

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-7: Kreisdiagramm für die Aufgabe 1

Es gibt praktisch keinen Strahler, der seine Hochfrequenzenergie in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt. Jede lang gestreckte Antenne hat eine Richtcharakteristik. Um eine bessere Vorstellung von solch einem Diagramm zu bekommen, bearbeiten Sie bitte folgende Aufgabe.

Aufgabe 11-1
Tragen Sie die gemessenen Werte folgender Tabelle in das Kreisdiagramm Bild 11-7 ein. Der äußere Kreis soll 100 mV/m entsprechen.
Sie erhalten ein Diagramm ähnlich dem in Bild 11-8.


Tabelle 11-2: Gemessene Feldstärken

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-8: Horizontaldiagramm (Feldstärke in %) eines waagerecht aufgehängten Halbwellenstrahlers (Dipol)

Das Horizontaldiagramm einer Antenne zeigt, in welche Himmelsrichtung eine Antenne vorwiegend strahlt. Die größte Feldstärke ergibt sich senkrecht zur Richtung des Drahtes, also in Richtung 0° und 180°. Eine sehr geringe Feldstärke ergibt sich in Verlängerung der Strahlerachse (90°, 270°).

Das Vertikaldiagramm zeigt, wie flach eine Antenne abstrahlt. Denn je flacher sie strahlt, desto größer ist die Sprungentfernung, gut für Weitverkehrsverbindungen.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-9: Vertikaldiagramme von Dipol und Yagi

 

Der Gewinn

Was man in der Funktechnik unter Gewinn versteht, soll an einem Beispiel erklärt werden. Nehmen wir an, wir wären in einem dunklen Raum und würden ein Glühlämpchen von 1 Watt rundherum leuchten lassen. Es wäre noch ziemlich dunkel im Raum. Bringt man dasselbe Glühlämpchen an die richtige Stelle vor den bündelnden Spiegel eines Autoscheinwerfers, wird es in der Richtung des Scheinwerferstrahls deutlich heller, so dass man auf der anderen Seite des Raumes vielleicht eine Zeitung lesen könnte. Ohne den Scheinwerferspiegel hätte man vielleicht eine rundum strahlende 100-Watt Glühlampe gebraucht, um an derselben Stelle dieselbe Helligkeit zu erreichen.

Der Scheinwerferspiegel bringt also in einer Richtung mit einer 1-Watt-Lampe genau so viel Helligkeit wie die rundherum strahlende Glühlampe mit 100 Watt. Dies wäre ein Gewinn mit dem Faktor 100. Nur ein Hundertstel der Leistung ist notwendig gegenüber dem Fall, bei dem in alle Richtungen gleichmäßig abgestrahlt wird.

Ähnlich verhält es sich mit Antennen. Strahlt eine Antenne nicht gleichmäßig in alle Richtungen, sondern bevorzugt in eine oder mehrere Richtungen, ist in diesen Richtungen das Signal stärker, als wenn die Antenne rundherum strahlen würde. Ein Strahler, der in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt, ist ein isotroper Strahler. Er wird wegen des kugelförmigen Strahlungsdiagramms auch Kugelstrahler genannt. Ein Dipol gewinnt in den Hauptstrahlrichtungen gegenüber dem isotropen Strahler einen Faktor 1,64, ein Lambda/4-Vertikalstrahler 3,28. Diesen Faktor bezeichnet man als Gewinn G einer Antenne.

Bei einem Richtstrahler kann dieser Gewinn durchaus einen Faktor 100 aufweisen. Multipliziert man die Hochfrequenzleistung, die man einer Antenne am Speisepunkt zuführt mit dem Gewinnfaktor G, erhält man eine Leistung, die man mit EIRP bezeichnet.

EIRP kommt von equivalent isotropic radiated power, äquivalente auf einen isotropen Strahler bezogene Hochfrequenzleistung.

In der Formelsammlung der BNetzA wird eine Formel zur Berechnung der EIRP aus der Senderleistung angegeben.

PEIRP = (PSender - PVerluste) · GAntenne isotrop

Die Formel besagt: Um die äquivalente isotrope Strahlungsleistung PEIRP zu erhalten, muss man von der Senderleistung die Verlustleistung (Kabel, Stecker, Anpassung) abziehen und diesen Wert mit dem Gewinnfaktor GAntenne isotrop multiplizieren.

Beispiel
Ein UKW-Sender mit 20 Watt Ausgangsleistung ist über eine Antennenleitung, die 1 dB Kabelverluste hat, an eine Richtantenne mit 11 dBi Gewinn (auf isotropen Strahler bezogen) angeschlossen. Welche EIRP wird von der Antenne abgestrahlt?

Lösung: Hier sind Verluste und Gewinn in dB angegeben. Diese darf man miteinander verrechnen. Von den 11 dBi Gewinn ziehen wir die 1 dB Kabelverluste ab. Es bleiben 10 dB Gewinn, also ein Faktor 10 bei der Leistung.

PEIRP = 20 W · 10 = 200 W

Aus den 20 Watt Senderleistung sind 200 Watt isotrope Strahlungsleistung geworden. Diese Tatsache ist vom Funkamateur zu be­rücksichtigen, wenn er die Einhaltung der Personenschutzgrenzwerte nachweisen muss (Lektion 18).

 

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EIRP und ERP

Früher hat man in Deutschland den Gewinn einer Antenne vorwiegend auf den Dipol als Vergleichsantenne bezogen. Diese mit dem Gewinnfaktor multiplizierte Antenneneingangsleistung bezeich­net man mit ERP.

ERP kommt von effective radio power und bedeutet "Effektive Strahlungsleistung", siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/ERP.

Die ERP (PERP in der Formel) erhält man, indem man von der Senderleistung PSender die Kabelverluste PVerluste abzieht und dann mit dem Gewinnfaktor GAntenne Dipol bezogen auf den Dipol multipliziert. Die Formel dafür lautet:

PERP = (PSender - PVerluste) · GAntenne Dipol.

Wenn der Gewinn gegenüber einem Dipol bekannt ist, kann man die EIRP errechnen, indem man die ERP mit dem Gewinnfaktor 1,64 eines Dipols multipliziert.

PEIRP = 1,64 · PERP

 

Prüfungsfrage

TL204  Ein Sender mit 0,6 Watt Ausgangsleistung ist über eine Antennenleitung, die 1 dB Kabelverluste hat, an eine Richtantenne mit 11 dB Gewinn (auf Dipol bezogen) angeschlossen. Welche EIRP wird von der Antenne maximal abgestrahlt?
6,0 Watt
7,8 Watt
9,8 Watt
12,7 Watt

 

Kommentar: Von den 11 dB Gewinn ziehen wir die 1 dB Kabelverluste ab. Es bleiben 10 dB Gewinn, also ein Faktor 10 bei der Leistung.

PERP= 0,6 W · 10 = 6 W

Für die Berechnung der EIRP multiplizieren wir dies mit 1,64.

PEIRP= 6 W · 1,64 = 9,84 W

?Aus 0,6 Watt Senderleistung sind fast 10 Watt Strahlungsleistung mittels einer Dipolantenne in den Hauptrichtungen geworden.

 

Prüfungsfrage

TL205  Ein Sender mit 5 Watt Ausgangsleistung ist über eine Antennenleitung, die 2 dB Kabelverluste hat, an eine Antenne mit 5 dB Gewinn (auf Dipol bezogen) angeschlossen. Welche EIRP wird von der Antenne maximal abgestrahlt?
6,1 Watt
10,0 Watt
16,4 Watt
32,8 Watt

 

Es werden von den 5 dB Gewinn die 2 dB Verlust abgezogen. Es bleiben 3 dB Gewinn. 3 dB Gewinn bedeutet doppelte Leistung, also werden daraus 10 Watt ERP. Weil der Gewinn auf einen Dipol bezogen ist, muss wieder mit einem Faktor 1,64 multipliziert werden und wir erhalten 16,4 Watt EIRP.

Prüfungsfrage

TL206  Ein Sender mit 75 Watt Ausgangsleistung ist über eine Antennenleitung, die 2,15 dB (Faktor 1,64) Kabelverluste hat, an eine Dipol-Antenne angeschlossen. Welche EIRP wird von der Antenne maximal abgestrahlt?
45,7 Watt
60,6 Watt
75 Watt
123 Watt

 

In der vorigen Lektion haben wir unter „Verstärkung in dB“ den Zusammenhang zwischen 2,15 dB und Faktor 1,64 bereits kennengelernt. Aber rechnen wir den Gewinn noch einmal nach.

g = 10⋅lg(1,64) dB = 10⋅0,2148 dB = 2,15 dB

Also heben sich die 2,15 dB Verluste mit dem Gewinn eines Dipols gegenüber dem isotropen Strahler genau auf und es bleiben die 75 Watt EIRP.

 

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Bauformen von Antennen


Der Dipol

Der gestreckte Dipol mit einer Länge von Lambdahalbe ist die Grundform einer Sendeantenne. Weil der Draht nicht unendlich dünn und nicht unendlich weit von der Erde entfernt ist, verstimmt sich eine Dipolantenne in der Praxis nach niedrigeren Frequenzen. Um dies auszugleichen, macht man die Antenne je nach Bauhöhe um drei bis sieben Prozent kürzer. Man nennt dies den Verkürzungsfaktor einer Antenne. Die mechanische Länge wird mit folgender Formel berechnet.

Hierzu passt (noch einmal) die Prüfungsfrage TH206.

TH206  Ein Halbwellendipol wird auf der Grundfrequenz in der Mitte ...
spannungsgespeist.
stromgespeist.
endgespeist.
parallel gespeist.

 

Außer dem gestreckten Dipol gibt es davon abgewandelte Bauformen. Dazu gehören die „Inverted Vee“, der Faltdipol, die quadratische Schleife, die Delta Loop und auch Multibandversionen wie die W3DZZ.

Durch das Herunterziehen der Dipol-Enden wird das horizontale Richtdiagramm der Antenne verändert. Bei einem Spreizwinkel von 90° (Bild 11-10) entsteht aus der typischen Achtercharakteristik des Dipols nahezu eine Rundstrahlcharakteristik, das heißt diese Antenne strahlt gleichmäßig in alle Himmelsrichtungen.

Zeichnung: E.Moltrecht
Bild 11-10: Aufbauformen des offenen Dipols
A: gestreckter Dipol, B: Inverted Vee mit 120° Spreizwinkel, C: Inverted Vee mit 90° Spreizwinkel

 

Der Multibanddipol

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-11: Mehrbanddipol

Eine Möglichkeit ist es, für jedes gewünschte Band einen Halbwellenstrahler zu bemessen, diese untereinander zu hängen und mit einem gemeinsamen Kabel einzuspeisen. Dann wird immer die Antenne, die niederohmig ist, die Energie aufnehmen. Die im Speisepunkt hochohmigen Antennen stören dann nicht. Für die fünf klassischen Bänder genügen vier Dipole, denn der Strahler für das 40-m-Band ist ja, wie gezeigt wurde, auch für das 15-m-Band niederohmig.

 

Die W3DZZ-Antenne

Die von dem Amerikaner W3DZZ erfundene Antenne wird wegen ihrer relativ geringen Länge von 33 m (anstatt 41 m eines normalen Halbwellendipols) von Funkamateuren gern verwendet. Die Sperrkreise haben eine Resonanzfrequenz in der Mitte des 40-m-Bandes (7,05 MHz) und wirken auf diesem Band als Isolatoren, so dass die Antenne hier als Lambdahalbe-Dipol arbeitet. Auf 80 m wirken die Induktivitäten der Sperrkreise wie Verlängerungsspulen. Die Antenne arbeitet deshalb im 80-m-Band ebenfalls als Lambdahalbe-Dipol.

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-12: W3DZZ Multibanddipol

 

Prüfungsfrage

TH110  Sie wollen eine Zweibandantenne für 160 m und 80 m selbst bauen. Welche der folgenden Antworten enthält die richtige Drahtlänge l zwischen den Schwingkreisen und die richtige Resonanzfrequenz fres der Kreise?

   l beträgt zirka 80 m und fres liegt bei zirka 3,65 MHz.
   l beträgt zirka 40 m und fres liegt bei zirka 1,85 MHz.
   l beträgt zirka 40 m und fres liegt bei zirka 3,65 MHz.
   l beträgt zirka 80 m und fres liegt bei zirka 1,85 MHz.

 

Endgespeiste Antennen

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 11-13 Langdrahtantenne als Fuchsantenne

Wenn man beispielsweise seinen Sender in der Nähe des Befestigungspunktes des Drahtes hat, ist eine Verlegung eines Koaxialkabels, das nicht zum Antennendraht parallel laufen sollte, etwas schwierig. In diesem Fall kann man die Antenne auch am Ende direkt einspeisen. Allerdings ist die Impedanz dort am Ende hochohmig. Man muss ein Anpassgerät verwenden. Diese Antenne heißt Langdrahtantenne.

Die Sendeleistung wird entweder mit einem HF-Transformator, den man auf der Sekundärseite mit einem abstimmbaren Drehkondensator zu einem so genannten Fuchskreis ergänzt (Bild 11-13) angepasst oder man verwendet eine Lambda-Viertel-Leitung zur Transformation (Bild 11-14, Zeppelinantenne). Diese Leitung besteht einfach aus zwei parallelen Drähten, die durch Abstandshalter  gehalten werden. Diese Leitung nennt man Zweidraht- oder Feederleitung. Im Sprachgebrauch wird sie meist als Hühnerleiter bezeichnet.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-14 Zeppelinantenne

 

Schleifenantennen

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-15: Bauformen von Schleifenantennen
A: Faltdipol, B: Quadratische Schleife (Quad Loop), C: Dreiecksschleife (Delta Loop)

Schaltet man zwei Halbwellendipole in einem geringen Abstand parallel, speist aber nur einen dieser Drähte, nennt man diese Antenne Faltdipol (Bild 11-15 A). Die Fußpunktimpedanz des Faltdipols wird je nach Aufbauhöhe etwa 200 bis 300 Ohm betragen, das ist das Vierfache von 50 bis 75 Ohm eines gestreckten Dipols.

Abgewandelte Bauformen (Bilder 11-15 B, C) des Faltdipols entstehen durch Auseinanderziehen. Die Anordnung kann quadratisch werden (Quad Loop) oder dreieckig sein (Delta Loop). Die Drahtschleife lässt sich auch waagerecht parallel zum Erdboden aufhängen. Hängt sie zirka λ/4 über dem Erdboden, ergibt sich eine starke Steilstrahlung und damit große Feldstärken im innerdeutschen Funkverkehr. Allerdings benötigt man drei hohe Aufhängepunkte.

 

Prüfungsfrage

TH205  Ein Faltdipol hat einen Eingangswiderstand von ungefähr
600 Ohm.
240 Ohm.
50 Ohm.
30-60 Ohm.

 

Prüfungsfrage

TH107  Wie nennt man eine Schleifenantenne, die aus drei gleich langen Drahtstücken besteht?
Delta Loop Antenne
3-Element Quad Loop Antenne
W3DZZ Antenne
3-Element-Beam

 

Windom-Antenne

Bereits im Jahr 1923 wurde in den USA eine Antenne vorgestellt, die mit einer Eindrahteinspeisung auskommt. Dabei geht die Eindrahtspeiseleitung von der Tatsache aus, dass ein einzelner Draht gegenüber einer guten Erde einen Wellenwiderstand von etwa 500 Ohm aufweist.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 11-16: Die Windom-Antenne

Die Eindrahtspeisung wird heutzutage nicht mehr angewendet, weil man es kaum vermeiden kann, dass diese Speiseleitung doch strahlt und es in unmittelbarer Nachbarschaft zu störenden Beeinflussungen kommen kann. Es gibt eine Abwandlung dieser Antenne, die kommerziell unter der Bezeichnung FD4 (Fritzel-Dipol für 4 Bänder – 80 m, 40 m, 20 m, 10 m) bekannt ist. Sie arbeitet mit einem Breitbandübertrager, der die Impedanz 1 : 6 herunter transformiert. Es kann ein 50- Ω-Kabel angeschlossen werden.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-17: Windom-Antenne mit Übertrager

 

Die Yagi-Antenne

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-18: a) 2-Element-, b) 3-Element-Yagi-Antenne

Bringt man in das elektrische Feld eines Halbwellenstrahlers in einem Abstand von etwa 1/10-λ einen um etwa 5 % kürzeren Stab, so stellt man eine deutliche Zunahme der Feldstärke in dieser Richtung fest. In der Gegenrichtung wird das Feld geschwächt. Das heißt, eine solche Anordnung mit einem so genannten parasitären Zusatzelement (Direktor) bündelt die HF-Energie (Bild A).

Ähnliches Verhalten zeigt ein um 5% längerer Stab, der in etwa 1/5-λ Entfernung vom Strahler in das Feld gebracht wird. Allerdings bündelt er die HF-Energie in entgegen gesetzte Richtung. Er reflektiert das elektrische Feld. Man nennt ihn deshalb Reflektor. Eine solche Antenne mit Direktor und Reflektor heißt 3-Element-Yagi nach dem japanischen Antennenforscher Yagi.

 

Prüfungsfrage

TH112  Das folgende Bild enthält eine einfache Richtantenne.

Die Bezeichnungen der Elemente in numerischer Reihenfolge lauten ...

   1 Strahler, 2 Direktor und 3 Reflektor.
   1 Reflektor, 2 Strahler und 3 Direktor.
   1 Direktor, 2 Strahler und 3 Reflektor.
   1 Direktor, 2 Reflektor und 3 Strahler.

 

Prüfungsfrage

TH113  An welchem Element einer Yagi-Antenne erfolgt die Energieeinspeisung?
Am Strahler
Am Direktor
Am Reflektor
Am Strahler und am Reflektor gleichzeitig

 

 

Foto: Eckart Moltrecht
Bild 11-19:Yagi-Antennen (UKW, KW)

 

Die Cubical Quad

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-20: Kubische Quad (cubical quad)

Eine wegen ihres angeblich flachen Abstrahlwinkels bei bereits geringer Aufbauhöhe gern verwendete DX-Antenne ist die Kubische Quad (gesprochen: kwott). Man benötigt aber eine Menge Platz für diese räumliche Anordnung.

Im Prinzip ist die Cubical Quad eine quadratische Schleife (Loop) aus vier λ/4-Stücken (a) und einem Schleifenreflektor aus vier um 5 % längeren Stücken (b) oder aus einem Direktor-Rahmen aus vier um 5 % kürzeren Stücken. Die Antenne kann horizontal (A) oder auf der Spitze stehen (diamond shape, B) aufgebaut werden. Der Abstand der beiden Rahmen ist entweder 0,1 λ (Strahler - Direktor) oder 0,2 λ (Strahler - Reflektor). Insgesamt ergibt sich ein Gebilde wie ein Quader, daher der Name.

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-21: Dreiband-Quad, A: Boom-Quad,  B: Spinnen-Quad

 

Die Magnetantenne

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-22: Die Magnetantenne

Durch einen sehr hohen HF-Strom in einem Leiter lässt sich die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes nutzen. Dazu wird eine Spule mit einer oder zwei Windungen mit mindestens Lambda/4 Umfang mit einem Kondensator großer Kapazität zusammengeschaltet. Diese Antenne hat für die oberen Kurzwellenbänder einen Durchmesser von nur etwa 0,8 bis 1,3 m und ist deshalb leicht unterzubringen.

Die Magnetantenne bewährt sich für Portabelzwecke, da man sie am Balkongeländer des Hotels oder auf dem Wagendach befestigen kann. Der Wirkungsgrad einer solchen Antenne ist für ihre Größe recht gut. Allerdings ist sie sehr schmalbandig, so dass man sie bei Frequenzwechsel sogar innerhalb eines Bandes nachstimmen muss.

 

Prüfungsfrage

TH103  Was ist eine Magnetantenne? Es ist eine Antenne …
die im Innern einer Spule einen Ferritkern enthält.
die aus zwei quadratischen Schleifen besteht.
die aus drei magnetischen Elementen besteht.
mit kompakten Abmessungen, die aus einer Leiterschleife besteht und im Nahfeld ein starkes magnetisches Feld abstrahlt.

 

Vertikalantennen

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 11-23: Vertikaldiagramme von Vertikalstrahlern A λ/4, B 5/8 λ

Senkrecht stehende Antennen heißen Vertikalstrahler. Sie haben in der horizontalen Ebene Rundstrahlcharakteristik. Das horizontale Richtdiagramm ist ein Kreis. Das ist für den Amateurfunk sehr praktisch, da die Antenne in allen Richtungen gleich gut abstrahlt. Vertikalstrahler haben außerdem die Eigenschaft, einen flachen Abstrahlwinkel zu besitzen, was aus Bild 11-23 hervorgeht. Den günstigsten Abstrahlwinkel hat ein 5/8-λ langer Vertikalstrahler (Bild C). Wenn man die Vertikalantenne noch länger macht, steigt die Steilstrahlung an.

Antennen, die gegen Erde oder gegen ein Gegengewicht erregt werden, sind unsymmetrische Antennen.

Übungsaufgabe
Berechnen Sie die Länge eines 5/8-λ langen Vertikalstrahlers für das 10-m-Band (28,5 MHz).

Lösung:

 

Prüfungsfrage

TH108  Bei welcher Länge hat eine Vertikalantenne die günstigsten Strahlungseigenschaften?
3 λ/4
λ/4
λ/2
5 λ/8

 

Prüfungsfrage

TH109  Eine Vertikalantenne erzeugt ...
zirkulare Polarisation.
einen hohen Abstrahlwinkel.
einen flachen Abstrahlwinkel.
elliptische Polarisation.

 

 

Die Groundplane-Antenne

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-24: Groundplane-Antenne

Wegen der oft schwer übersehbaren Bodenverhältnisse wird die natürliche Erde durch ein Netz von Gegengewichten ersetzt. Diese meist radial vom Strahlerfußpunkt ausgehenden λ/4-langen Gegengewichte nennt man Radiale (englisch: radials). Das gesamte Netz der Radiale bildet die Erdebene (englisch: groundplane). Eine solche λ/4-Vertikalantenne nennt man im Amateurfunk Groundplane-Antenne (GP oder GPA, Bild 11-24). Meistens werden drei oder vier Radiale verwendet. Bei drei Radialen ergibt das horizontale Strahlungsdiagramm ungefähr einen Kreis (Bild 11-25). Die GP hat allerdings einen relativ niedrigen Fußpunktwiderstand von zirka 30 bis 50 Ohm, je nach Neigungswinkel der Radiale.

Verikalantennen wie die Groundplane-Antenne, die gegen Erde oder gegen ein Gegengewicht erregt werden, sind unsymmetrische Antennen.

Prüfungsfrage

TH106  Welche Antenne gehört nicht zu den symmetrischen Antennen?
Faltdipol
Yagi
Groundplane-Antenne
λ/2-Dipol

 

Prüfungsfrage

TH111  Die elektrischen Gegengewichte einer Groundplane-Antenne bezeichnet man auch als
Reflektoren.
Parasitärstrahler.
Erdelemente.
Radiale.

 

Prüfungsfrage

TH203  Welchen Eingangs- bzw. Fußpunktwiderstand hat die Groundplane-Antenne?
ca. 30 ... 50 Ω
ca. 60 ... 120 Ω
ca. 600 Ω
ca. 240 Ω

 

Prüfungsfrage

TH204  Die Impedanz in der Mitte eines Halbwellendipols beträgt je nach Aufbauhöhe ungefähr
60 bis 120 Ω
120 bis 240 Ω
40 bis 80 Ω
240 bis 600 Ω

 

Prüfungsfrage

TH205  Ein Faltdipol hat einen Eingangswiderstand von ungefähr
600 Ω.
240 Ω.
50 Ω.
30-60 Ω.

 

 

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-25: Strahlungsdiagramm einer GP mit drei Radialen

 

UKW-Yagi-Antenne

Genau wie bei Kurzwelle (Bild 11-18), kann man die Yagi-Anordnung auch für das 2-m- oder das 70-cm-Band verwenden. Da die Elemente zirka λ/2 lang sind, ergeben sich Elemente von nur 1 m beziehungsweise nur 35 cm Länge. Deshalb kann man noch viel mehr Direktoren verwenden und erhält dadurch eine so genannte Langyagi-Antenne (Bild 11-26 A oder 11-26 B).

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 11-26:  A horizontal,  B vertikal polarisierte  Langyagi-Antenne

 

Die Kreuzyagi-Antenne

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-27: A Kreuzyagi-Antenne,  B zirkular polarisierte Yagi-Antenne in X-Form

Eine Doppelantenne, deren Elemente für horizontale und für vertikale Polarisation auf einem gemeinsamen Trägerrohr (Boom) aufgebaut werden, ist die Kreuzyagi-Antenne (Bild 11-27-A). Führt man die beiden Speisekabel einer Kreuzyagi-Antenne an ein Koaxrelais oder direkt bis hinunter zur Funkstation, kann man zwischen horizontaler und vertikaler Polarisation umschalten.

Man kann die beiden Antennensysteme aber auch über eine λ/4-Umwegleitung parallel schalten. Man erhält dadurch eine ständig rotierende Polarisation (zirkular polarisiert), die besonders für Satellitenfunk von Vorteil ist (Bild 11-27 B). Im Normalfall bringt eine zirkular polarisierte Antennenanordnung einen geringfügigen Verlust gegenüber der einfachen linearen Polarisation. Dafür benötigt man aber keine Umschaltung und es gibt weniger Polarisationsfading beim rotierenden Satelliten.

 

UKW-Rundstrahlantennen

Beim Mobilfunk im 2-m- und im 70-cm-Band ist vertikale Polarisation mit Rundstrahlantennen üblich. Für das Fahrzeug werden λ/4-Stabantennen mit dem Wagenchassis als Gegengewicht oder λ/2-Antennen zum Anklemmen an die Fensterscheibe in der Tür oder 5/8-λ-Antennen mit einer Verlängerungsspule als Federfuß verwendet.

FM-Feststationen arbeiten mit Groundplane-Antennen (Bild 11-28 E) oder λ/2-Antennen mit einer speziellen Anpassung als Sperrtopf (Bild D). Für Handfunkgeräte werden meistens Wendelantennen eingesetzt. Der Antennendraht wird dabei zu einer Spule aufgewickelt. Diese Antennen sind zwar sehr klein, haben aber einen geringeren Wirkungsgrad als eine λ/4-Antenne.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 11-28: UKW-Vertikalantennen:
A Viertelwellenstab, B λ/2-, C 5/8-λ-, D Sperrtopf-,  E Groundplane-Antenne

 

Prüfungsfrage

TH208  Folgendes Bild enthält verschiedene UKW-Vertikalantennen. In welcher der folgenden Zeilen ist die Bezeichnung der entsprechenden Antenne richtig zugeordnet?

    Bild A zeigt einen λ/4-Vertikalstrahler (Viertelwellenstab).
    Bild B zeigt eine Sperrtopf-Antenne.
   Bild C zeigt eine λ/2-Antenne mit Fuchskreis.
   Bild D zeigt eine 5/8-λ-Antenne.

Kommentar: Die richtigen Zuordnungen sind folgende.
Bild A zeigt einen λ/4-Vertikalstrahler (Viertelwellenstab).
Bild B zeigt eine λ/2-Antenne mit Fuchskreis.
Bild C zeigt eine 5/8-λ-Antenne.
Bild D zeigt eine Sperrtopf-Antenne.


Prüfungsaufgabe TH202
Welches Strahlungsdiagramm ist der Antenne richtig zugeordnet?

  
 

 Lösung der Prüfungsaufgabe TH202
Die richtigen Zuordnungen sind:

 
 

 

Prüfungsfrage

TH209  Folgendes Bild enthält verschiedene UKW-Yagi-Antennen. In welcher der folgenden Zeilen ist die Bezeichnung der Antenne richtig zugeordnet?

   Bild A zeigt eine horizontal polarisierte Yagi-Antenne.
   Bild B zeigt eine Kreuz-Yagi-Antenne.
   Bild C zeigt eine zirkular polarisierte X-Yagi-Antenne.
   Bild D zeigt eine vertikal polarisierte Yagi-Antenne.

Kommentar: Die richtigen Zuordnungen sind folgende.

  • Bild A zeigt eine horizontal polarisierte Yagi-Antenne.

  • Bild B zeigt eine vertikal polarisierte Yagi-Antenne.

  • Bild C zeigt eine Kreuz-Yagi-Antenne.

  • Bild D zeigt eine zirkular polarisierte X-Yagi-Antenne.



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Copyright Eckart K. W. Moltrecht Copyright-Hinweis: Dieser DARC-Online-Lehrgang wurde mit freundlicher Genehmigung des Autors Eckart K. W. Moltrecht aus der Korrekturversion seines Buches "Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis Klasse E TECHNIK" aus dem VTH-Verlag für das Internet umgewandelt. Das Copyright liegt beim Autor und beim Verlag. Die Darstellung auch nur von Auszügen oder Zeichnungen oder Fotos im Internet ist untersagt. Für die private Verwendung können Sie gern eine Genehmigung beim Autor erhalten. Schreiben Sie ein E-Mail an dj4uf(at)darc.de!

Letzte Bearbeitung: 07.2.2014 DK2DQ, 17.02.2015 DJ4UF
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