ANTENNE

Antẹnne

 

[italienisch, von lateinisch antenna »Segelstange«] die, -/-n,  

 1) Nachrichtentechnik: aus metallischen oder ferritischen Materialien bestehende linien- oder flächenhafte Vorrichtung, die als Bestandteil von drahtlosen Nachrichtenübertragungssystemen zum Aussenden (Abstrahlen) oder Empfangen elektromagnetischer Wellen v.a. des Hochfrequenzbereichs dient. Eine Sendeantenne wandelt die ihr durch Einspeisen modulierter hochfrequenter Wechselströme zugeführte elektrische Energie in Feldenergie gleichfrequenter, sich frei ausbreitender elektromagnetischer Wellen (Raum- oder Bodenwellen) um, während eine Empfangsantenne Feld- oder Strahlungsenergie derartiger Wellen entsprechend ihrer (meist sehr geringen) Feldstärken aufnimmt und in gleichfrequente Wechselströme oder -spannungen umwandelt, die dann verstärkt einem Empfänger zugeführt werden.

 

 Grundlagen

 

In ihrer Wirkungsweise sind Sende- und Empfangsantenne reziprok zueinander. Unterschiede bestehen im Wesentlichen nur in der zu verarbeitenden Hochfrequenzleistung (und damit in ihrer Größe) und in ihrem Wirkungsgrad. Jede Antenne ist im Prinzip ein offener elektrischer Schwingkreis, in dem bei Einspeisen einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms (über Zuleitungen) elektrische Schwingungen angeregt werden, deren Energie zwischen den induktiven Elementen der magnetischen Energieform (z. B. Spule) und den kapazitiven Elementen der elektrischen Energieform (z. B. Plattenkondensator) hin und her schwingt. Es bilden sich stehende elektromagnetische Wellen auf der Leitung des Schwingkreises aus, deren zeitlich periodische elektrische und magnetische Felder in den umgebenden Raum hinausgreifen und deren Wellenlänge λ durch den Quotienten aus Lichtgeschwindigkeit c und Wechselstromfrequenz ν bestimmt ist. Die magnetischen Feldlinien umgeben die Leitung in Form konzentrischer Kreise, die elektrischen Feldlinien beginnen und enden auf ihr. Liegt die Leitungslänge in der Größenordnung der Wellenlänge, so wird ein großer Teil der zugeführten Energie in Form von elektromagnetischen Wellen in den freien Raum abgestrahlt, da sich bei den raschen periodischen Änderungen von Strom und Spannung die einmal gebildeten Feldlinien so weit vom Ausgangsort entfernt haben, dass sie aus Zeitmangel nicht mehr zurückkehren können und sich deshalb von der stromdurchflossenen Leitung abschnüren. Umgekehrt erzeugen die Felder einer elektromagnetischen Welle im offenen Schwingkreis einer Empfangsantenne gleichfrequente Wechselspannungen und -ströme, wenn er eine genügende Ausdehnung entlang den Feldlinien hat.

 

Es gibt zwei große Gruppen von Antennen: die Linearstrahler, deren Längsausdehnung groß gegen ihre Querabmessungen ist (»schlanke« Antenne), und die Aperturstrahler oder Flächenstrahler, bei denen die von einem Erreger ausgehende Strahlung durch Reflektor- oder Linsenanordnungen in ebene Wellen verwandelt und dann durch die Antennenöffnung (Apertur) abgestrahlt wird. Bei den Linearstrahlern unterscheidet man Längsstrahler und Querstrahler, je nachdem, ob die Hauptstrahlrichtung in Richtung der Antennenlängsausdehnung oder senkrecht dazu liegt. Die einfachste Form eines Querstrahlers ist die Dipolantenne, die man als einen zu einer geraden Leitung auseinander gebogenen und gezogenen Schwingkreis (linearer Oszillator) ansehen kann, bei dem Kapazität und Induktivität längs der Leitung verteilt sind. Sie ist eine Schmalbandantenne, die nur in einem schmalen Frequenzbereich abstrahlt oder empfängt. Dabei breitet sich in Richtung der Dipolachse kein elektrisches Feld aus, sodass die Dipolantenne eine gewisse Richtwirkung aufweist. Eine allgemeine gebräuchliche Abart ist der Faltdipol, bei dem infolge seines größeren Antennenwiderstandes die beiden Zuleitungsdrähte einen größeren Abstand voneinander haben können (größerer Wellenwiderstand) und deshalb die Zuleitung verlustärmer ist. Durch Nebeneinanderanordnung gleichartiger Dipolantennen, etwa in einer Reihe (Dipolreihe) in Längsrichtung (Dipollinie), quer dazu (Dipolzeile) oder beides gleichzeitig (Dipolfeld oder Dipolwand), wird diese Richtwirkung bedeutend verstärkt. - Eine Stabantenne entsteht aus einer vertikalen Dipolantenne, indem man die untere Hälfte entfernt und durch eine möglichst große, ideal leitende Fläche ersetzt (Halbdipol); dadurch wird das Strahlungsfeld im oberen Halbraum nicht verändert. In der Praxis kann die Erdoberfläche angenähert als solche Fläche angesehen werden.

 

Ausgehend von diesen Grundformen, können durch Veränderung der Ausführungsform eine Vielzahl von Antennen mit unterschiedlich technischen Merkmalen und Eigenschaften (besonders durch Vergrößerung der Querabmessungen und spezielle Formgebung die verschiedenen Breitbandantennen) abgeleitet werden, wobei diese grundsätzlich als Sende- oder Empfangsantenne eingesetzt werden können. Welche Antennenart zu wählen ist, richtet sich nach dem Frequenz- oder Wellenlängenbereich sowie nach dem Verwendungszweck (Hörfunk und Fernsehen, Richtfunk, Radar, Funknavigation, Radioastronomie u. a.). Maßgebend für die verwendete Antennenart und ihre Ausführungsform sind im Allgemeinen die geforderte Antennencharakteristik, der Antennengewinn und die Antennenimpedanz, ferner neben dem Frequenzbereich die Polarisation und Ausbreitungsbedingungen der elektromagnetischen Wellen. In der Praxis haben die meist als Halbwellenstrahler oder Lambdahalbedipole (Leitungslänge λ/2) ausgeführten Dipolantennen und die Stabantennen mit einer durch λ/4 gegebenen Länge die größte Bedeutung.

 

 Sendeantennen

 

Für den Lang- und Mittelwellenhörfunk werden v. a. rundstrahlende Stabantennen (Rundstrahler) eingesetzt, meist bis zu 200 m hohe, auf einem Isolationskörper befestigte Gitter- oder Rohrmaste, die durch isolierte Halteseile abgespannt sind; die auszustrahlende Energie wird am unteren Ende eingespeist. Zur Verbesserung der Abstrahlung ist im Umkreis von etwa 200 m Durchmesser ein Erdnetz aus konzentrisch und radial angeordneten Blechbändern verlegt. Bei Langwellenantennen kann die erforderliche Resonanzlänge λ/4 oft nicht mehr ausgeführt werden; sie werden durch zusätzlich von der Antennenspitze abgespannte Drähte auf die niedrige Resonanzfrequenz abgestimmt (Schirmantenne). Im Kurzwellenbereich werden sowohl Stab- als auch Dipolantennen verwendet. Für den Überseeverkehr dienen Richtstrahler, meist Dipolwände oder auch mehrere vertikal auf einem Kreisumfang angeordnete Dipolantennen (Dipolkreise), wobei zum Teil durch Drehen der Dipolwand oder - bei phasengesteuerten Antennen (Phased-Array-Antenne) - durch elektronisches Umschalten der Einspeisung auf andere Antennenglieder die Hauptstrahlrichtung geschwenkt und die Form der Richtcharakteristik geändert werden kann, um mit vertretbarem Energieaufwand verschiedene Erdteile zu erreichen. Im Ultrakurzwellenbereich werden Hörfunk- und Fernsehsendeantennen als Rund- oder Richtstrahler ausgeführt und möglichst hoch angebracht. Erstere bestehen im Allgemeinen aus vier im Quadrat um einen Mast herum angeordneten λ/2-Dipolen (Ringstrahler) oder Dipolwänden, aus Kreuzdipolen oder Schmetterlingsstrahlern (Drehkreuzantennen) oder aus horizontal angeordneten, rundstrahlenden Dipolfeldern; daneben werden Schlitzstrahler und Stabantennen verwendet. Im Höchstfrequenzbereich (Dezimeter-, Zentimeter- und Millimeterwellen) werden als Sende- und als Empfangsantennen ausschließlich Richtantennen eingesetzt. Neben Antennengruppen aus einer Vielzahl von Dipolen finden sehr häufig Aperturstrahler Anwendung. In der Radartechnik, für Richtfunk- und Satellitenfunkstrecken sowie beim Satellitenfernsehen werden wegen ihrer Richtwirkung Parabolantennen benutzt. Sie bestehen aus einem Parabolspiegel mit gut leitender Oberfläche als Reflektor und einem Erreger im Brennpunkt: bis 2 GHz ein Hornstrahler (Trichterstrahler) in Form einer pyramiden- oder trichterförmigen Erweitung eines zur Einspeisung dienenden Hohlleiters. Hierzu gehört die in Satellitenfunk-Bodenstationen verwendete Cassegrain-Antenne, mit zweimaliger Strahlumlenkung zur Verringerung der räumlichen Abmessungen: Vor dem Brennpunkt des Hauptspiegels liegt ein kleiner konvexer Reflektor, der die von einem Hornstrahler (in einer im Scheitel des Hauptspiegels befindliche Öffnung) erzeugten Wellen auf den Hauptspiegel reflektiert (bei Betrieb als Empfangsantenne umgekehrte Wirkungsweise).

 

 Empfangsantennen

 

Beim Kurz-, Mittel- und Langwellenhörfunk genügt, da die elektrischen Feldlinien nahezu senkrecht auf der Erdoberfläche stehen (senkrechte Polarisation), eine senkrecht stehende Stabantenne, die zur Vermeidung des Empfanges von Störungen durch elektrische Geräte auf dem Dach angebracht ist und eine abgeschirmte Zuleitung hat. Im Mittel- und Langwellenbereich wird auch die in Hörfunkempfängern meist eingebaute, manchmal drehbare Ferritstabantenne, eine Spule mit langem Ferritkern, verwendet. Sie ist eine Abart der ursprünglichen Rahmenantenne, einer großen flachen Spule aus einer oder mehreren Windungen mit senkrechter Windungsebene, bei der infolge ihrer Richtwirkung der Empfang am stärksten ist, wenn eine Schmalseite auf den Sender zeigt (Funkpeiler). Für den UKW-Empfang (Hörfunk) und Fernsehempfang verwendet man eine symmetrische Dipolantenne, die waagerecht angeordnet wird, weil die ausgesendeten elektrischen Feldlinien zur Vermeidung von Zündstörungen durch Kraftwagenmotoren waagerecht polarisiert sind. Da sie als Lambdahalbedipole ausgeführt werden, sind getrennte Antennen für VHF und UHF beim Fernsehen erforderlich. Viele Empfangsantennen (besonders Zimmerantennen) sind als Faltdipol ausgeführt, wobei ein hinter dem Dipol angeordneter, ungespeister Dipol (Reflektor) die Empfangsspannung und die Richtwirkung vergrößert. Für den UKW-Empfang sind zur Unterdrückung der Richtwirkung (Rundempfang) zwei um 90º gegeneinander versetzte Dipole erforderlich (Kreuzdipol), die über einen 90º-Phasenschieber miteinander verbunden werden. Für den Fernsehempfang wird die Yagiantenne (Yagi-Uda-Antenne) verwendet, die außer dem Dipol und einem Reflektor noch mehrere Dipole ohne Zuleitung (Direktoren) auf der anderen Seite des Dipols enthält, die ebenso wie der Reflektor die Bündelung der Empfangsenergie steigern, wodurch diese Antenne eine ausgeprägte Richtcharakteristik hat. Sie muss zur Berücksichtigung der Polarisation genau auf den Sender ausgerichtet sein. Für Empfangsantennen des Höchstfrequenzbereichs gelten die bei Sendeantennen gemachten Ausführungen. - Die für mehrere Wohnungen bestimmte Gemeinschaftsantenne speist über einen Antennenverstärker eine in die einzelnen Wohnungen führende Leitungsanlage. - Weitere spezielle Antennentypen sind u. a. die aktive Antenne, die Backfire-Antenne, die Chireix-Mesny-Antenne, die Diskon- oder Konusantenne, die Linsenantennen, die logarithmisch-periodischen Antennen, die Marconi-Franklin-Antenne, die Muschelantennen, die Reusenantenne, die Rhombusantenne, der Stielstrahler, die Helix- oder Wendelantenne, die Zickzackantenne und der Zylinderdipol.

 

Geschichtliches:

 

H. Hertz verwendete 1887 bei Laborversuchen eine Dipolantenne zum Nachweis der elektrischen Wellen. Von G. Marconi wurde 1896 die Antenne in der zur Feststellung der Gewitterelektrizität verwendeten Form (senkrechter Leiter) zur drahtlosen Telegrafie eingeführt. Die Rahmenantenne stammt von F. Braun (1899). Die Yagiantenne (Yagi-Uda-Antenne) wurde 1928 von den Japanern H. Yagi und Uda erfunden. Grundsätzliche Beiträge zur Theorie der Antenne leisteten E. Hallen (1938) sowie A. Sommerfeld und F. Renner (1942).

 

Literatur:

 

J. Kraus: Antennas (New York 1950);

 E. Stirner: A., 3 Bde. (^1-21980-84);

 A. Hock u. P. Paul: A.-Technik (1982);

 H. G. Mende: Prakt. A.-Bau (⁶1983);

 

Antenna engineering handbook, hg. v. H. Jasik u. R. C. Johnson (New York 1984);

 K. H. Hille: Das A.-Lex.(1988);

 K. Rothammel: A.-Buch (1984);

 H. Zwaraber u. L. Starke: Prakt. Aufbau u. Prüfung von A.-Anlagen (¹³1984).

 

 2) Zoologie: gegliederter Fühler bei Krebstieren, Tausendfüßern und Insekten. Die Antenne ist Träger von Sinnesorganen.