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. Steckt man ungeordnete Energien in den Dipol hinein, wird er am stärksten auf seiner Eigenfrequenz senden. Und hat man Sendungen auf vielen verschiedenen Frequenzen, wird der Dipol auf seiner Eigenfreqeunz 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, lassen 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 stellt der Dipol aber meist nicht nur eine Metallstange dar, 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 den beiden Enden ein Minimum und in der Mitte ein Maximum, während es sich bei der Spannung genau umgekehrt verhält. Befestigt man nun in der Mitte des Dipols die Anschlüsse des Antennenkabels, 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 von über 1000 W liegt.

Leider ist diese Anordnung etwas gross, warum in der Praxis ein Halbwellen-Faltdipol verwendet wird, der in den äusseren Abmessungen einem Halbwellendipol, in der Drahtlänge aber 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 liegt. Auf diesen Wert hat man sich auch in Deutschland bei der Normierung von Fernsehantennen geeinigt. Ausserhalb Deutschlands wurden dagegen meist 300 W vorgeschrieben, was in Europa dadurch erreicht wurde, dass man die Drähte nicht parallel laufen lässt, sondern in der Mitte zusammenbiegt, womit sich der klassische «Brezel» ergibt, der meistens als Zimmerantenne für Fernsehgeräte verwendet wird. In den USA erreicht man die 300 W durch sogenannte «nicht-resonante» Falt-Dipole. 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 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, besteht darin, 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. Die Richtwirkung lässt sich 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 nur ein Metallblech mit der geeigneten Krümmung benötigt wird. 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 wie Lichtwellen in einem Autoscheinwerfer gebündelt. Das heisst, diese Antenne ist nur in einem relativ schmalen Richtwinkel empfindlich. Nun will man zwar die Wellen des lokalen Fernsehsenders verstärken, die Antenne aber nicht mit dem Zentimetermass ausrichten müssen, warum zu einer anderen Lösung gegriffen wurde.

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 lang, 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. Dieser Effekt lässt sich 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 trägt die Bezeichnung Yagi-Antenne nach dem japanischen Physiker Hidetsugu Yagi (1886 bis 1976), der diese Anordnung erfunden hat.

Die Yagi-Antenne ist derzeit die am stärksten verbreitete Aussenantenne für den Fernsehempfang, und sie lässt sich, neben den zunehmenden Satellitenschüsseln, auf praktisch jedem Hausdach entdecken. Hier ist noch anzumerken, dass die Direktoren nach vorne zu immer kürzer werden, da die Verschiebung ja immer stärker werden muss, je weiter man vom Dipol enternt ist.

GSM mit der Fernsehantenne

Die Yagi-Antenne wird in Zukunft einen neuen Wirkungsbereich erhalten: Den Einsatz in stationären GSM-Anlagen. Dadurch, dass Mobilfunknetzbetreiber für Gespräche in ihren eigenen Netzen günstigere Tarife anbieten dürften als für Gespräche im Festnetz, wird es sich für Firmen lohnen, Gespräche, die an ein Mobiltelefon gehen, umzuleiten. Dabei wird das Gespräch von der Telefonzentrale der Firma nicht an das Festnetz weitergeleitet - wobei dann ja die höheren Gebühren anfallen würden -, sondern über ein angeschlossenes GSM-Telefon, wodurch man das Gespräch von «Mobil-zu-Mobil» führt und den niedrigeren Tarif zahlt.

Als festes GSM-Telefon wird man natürlich kein Handy verwenden, sondern es wird fest in die Telefonanlage eingebaut, von wo dann ein Kabel zu einer Antenne führt, die direkt auf die nächste Basisstation des jeweiligen Betreibers ausgerichtet wird. Und als Antenne kommt eine Yagi-Antenne zum Einsatz, da sich hier mit wenig Aufwand sehr gute Resultate erzielen lassen. Die Antenne ist übrigens deutlich kleiner als Fernsehantennen, denn während l/2 beim Fernsehen etwa 60 bis 70 Zentimeter beträgt, sind das bei den 900 MHz von GSM nur noch 15 und bei den 1800 MHz nur noch acht Zentimeter.

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 7.

Michael Köttl