Antennen - Die Verbindung zur Welt

Teil I - Die elektromagnetischen Grundlagen

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.

Die Geschichte drahtloser Kommunikation beginnt - wie so vieles in der Technik - mit der Formel eines theoretischen Physikers. Im Jahre 1864 formulierte der Engländer James Clerk Maxwell (1831-1879) die nach ihm benannten vier Gleichungen, welche mit der Beschreibung des Zusammenhanges von elektrischen und magnetischen Feldern und Strömen die Grundlage der gesamten Elektrotechnik darstellen.

Der Deutsche Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894) führte in den Jahren 1886 bis 1889 Experimente an der Universität Kiel durch, die nicht nur die Gültigkeit der Maxwell'schen Gleichungen, sondern auch die Existenz von elektromagnetischen Wellen bestätigten, mit denen elektrische Energie übertragen werden kann: den Radiowellen. Auf der Basis dieser Arbeiten entwickelte der Italiener Marchese Guglielmo Marconi (1874-1937) im Jahre 1895 den ersten brauchbaren Radioapparat, der drahtlose Telegraphie nach dem Morseverfahren ermöglichte.

Doch dafür brauchte er eine Antenne. Sicher - Marconi hat für seinen ersten Apparat einfach einen Draht in die Luft gestreckt - doch wie kommt die elektrische Energie vom Schwingkreis in die Antenne und von dort in die Luft? Und wenn sie einmal in der Luft ist, wie bekommt man sie wieder in eine Antenne und von dort zu einem Empfänger?

Aus vier Gleichungen wird eine Idee

Die Grundlage der ganzen Angelegenheit sind die Maxwell'schen Gleichungen, die in einfachen Worten folgendes besagen:

Die Stärke und Richtung des elektrischen Flusses hängt davon ab, wieviele freie elektrische Ladungen vorhanden sind.
Der magnetische Fluss bildet immer geschlossene Schleifen (Bei einem Stabmagneten sind die magnetischen Linien im inneren des Magneten geschlossen). Man kann auch sagen: «Es gibt keine magnetischen Monopole», was nur heisst, dass ein Magnet immer ein nördliches und ein südliches Ende hat - im Unterschied zur Elektrizität, wo es einzelne positive und negative Ladungen gibt.
Eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses erzeugt ein entgegengesetztes elektrisches Wirbelfeld.
Eine zeitliche Änderung des elektrischen Flusses und/oder ein elektrischer Strom erzeugen ein magnetisches Wirbelfeld.

Die vierte Gleichung macht man sich bei Elektromagneten zu Nutze, wenn man aus elektrischem Strom ein Magnetfeld erzeugt, während die dritte Gleichung die Grundlage für Generatoren ist. Das Wörtchen «entgegengesetzt» ist dabei für die Energieerhaltung sehr wichtig, da man sonst ja keine mechanische Kraft aus Wasser- oder Dampfturbinen hineinstecken müsste.

Nimmt man nun diese beiden zusammen, so wird es interessant. Ein elektrischer Strom erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld. Dieses Feld stellt an jedem Punkt seines Weges natürlich eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses dar, und erzeugt somit ein elektrisches Wirbelfeld. Das allerdings ist natürlich an jedem Punkt seines Weges eine zeitliche Änderung des elektrischen Flusses und erzeugt ein magnetisches Wirbelfeld. Hoppla! Da waren wir ja schon! Und das geht offenbar immer so weiter, und breitet sich dabei in den Raum aus - eine elektromagnetische Welle. Leider nimmt die Stärke dieser Welle mit dem Quadrat der Entfernung ab, da das elektrische Wirbelfeld der Änderung des magnetischen Flusses ja immer entgegengesetzt ist, und wenn wir nicht dauernd neue Energie hineinstecken, so hört sich das bald auf. Aber es ist ein Anfang.

Ein Dipol hat zwei Enden

Um dauerhaftere Schwingungen zu erzeugen, benötigt man einen Schwingkreis. Ein Schwingkreis besteht aus einer Spule und einem Kondensator. Die Spule ist der Ort, an dem sich ein Magnetfeld optimal aufbaut, da sich die einzelnen Wirbelfelder gegenseitig verstärken. Der Kondensator wiederum ist optimal für ein elektrisches Feld, das zwischen zwei geladenen Platten aufgebaut wird. Normalerweise sind die Platten aufgerollt, um Platz zu sparen, und dazwischen befindet sich auch nicht Luft sondern Bakelit, Porzellan oder ein Kunststoff, damit man grössere Ladungen speichern kann, aber damit wollen wir uns jetzt nicht befassen.

Laden wir jetzt einfach den Kondensator auf und sehen wir zu, was passiert. Die Elektronen, die sich auf der negativ geladenen Platte befinden sehen vor sich nur Luft, hinter sich einen wunderschönen Draht, der geradezu zum Spazieren einlädt (für Elektronen jedenfalls). Also machen sie sich auf den Weg - es fliesst ein elektrischer Strom. Der gelangt nun in die Spule, in der er ein Magnetfeld erzeugt. Das ist dem Strom bekanntlich entgegengesetzt, also wird der Strom immer schwächer und das Magnetfeld immer stärker, bis die gesamte Energie im Magnetfeld ist.

Das Magnetfeld beginnt nun zusammenzufallen. Das ist natürlich eine Änderung des magnetischen Flusses, die ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt und damit einen Strom, der nun weiter Richtung zweite Platte des Kondensators fliesst, bis wieder alle Elektronen auf einer Platte des Kondensators sind, und die gesamte Energie im elektrischen Feld steckt. Und damit sind wir wieder am Anfang, nur mit umgekehrten Vorzeichen.

Wenn wir nun der Spule weniger Windungen geben, ist zwar das Magnetfeld schwächer, aber es ist sicher noch immer eine Spule, und wenn wir den Kondensator mit kleineren Platten in grösserem Abstand ausstatten, so ist zwar seine Kapazität kleiner, aber es ist immer noch ein Kondensator. Im Extremfall hat die Spule nur noch eine Windung - den Draht selbst - und die Plattengrösse des Kondensators ist nur noch der Drahtdurchmesser. Aber dieses kurze Stückchen gerader Draht ist immer noch ein Schwingkreis - ein Dipol.

Was man damit alles machen kann, erfahren Sie in der nächsten Folge in Mobile Times 6.

Michael Köttl