Antennen - Die Verbindung zur Welt

Teil IV - Die Helixantenne

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 sich oft bei GSM-Sendemasten und Handys findet. 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, müssen sie noch lange nicht die gleiche Leistung abstrahlen. Oder umgekehrt: Wenn zwei Antennen nebeneinander im Feld der GSM-Basisstation sind, müssen nicht beide dieselbe Leistung an das Handy weitergeben. Diese Unterschiede will man natürlich normieren, denn es nutzt wenig zu sagen: «Diese Antenne ist besser als die andere.» Man möchte vielmehr wissen, um wieviel besser.

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 noch in dB angegeben - was auch sehr sinnvoll ist, da das menschliche Ohr logarithmisch hört. Die «Normleistung» ist in diesem Falle 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 10'000 mal 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. Es lässt sich noch hinzufügen, dass eine Verdoppelung der Leistung eine Steigerung von 3 dB bedeutet bzw. 1 dB Gewinn eine Leistungssteigerung um den Faktor 1.26.

Welche Antenne hört besser?

Wenn wir jetzt zu den Antennen zurückkehren, 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 sich diese Antenne sehr leicht durchrechnen lässt. 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.

Diese Zahlen lassen sich 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 1.6-fache, 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 lässt sich jetzt aber ein 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, so dass ein höherer Gewinn möglich ist, als alleine mit einer verbesserten Antenne. Allerdings ist zu bedenken, dass jede zusätzliche Elektronik natürlich auch Rauschen hinzufügt bzw. 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 Helixantenne 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 Helixantenne aussieht. Genauer gesagt sieht man auf dem Plakat in dem Antennenteil sogar zwei Spiralen: Eine Helixantenne 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 - warum 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 Dualband-Handys mit Helixantennen 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 der Yagi-Antenne eine Steigerung auf 6 bis 8 dBi bieten - was sich mit geeigneten Anordnungen natürlich weiter erhöhen lässt -, so hat die Helixantenne schon von vorneherein einen Gewinn von 10 bis 12 dBi. Das ist auch der Grund, warum in der Astronomie gerne Helixantennen eingesetzt werden, da man hier mit sehr schwachen Signalen arbeiten muss und daher für jedes bisschen Leistungsgewinn dankbar ist.

Nachdem wir nun die Antennentypen, die im Mobilfunk eingesetzt werden, 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 9 näher ein.

Michael Köttl/fwk