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EF 2018/2019

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Einkaufsführer HF-Technik 2018/2019

Antennen Bild 4:

Antennen Bild 4: Praktisch kaum Ergebnisunterschiede zwischen den beiden Möglichkeiten, das Vor/Rück-Verhältnis zu bestimmen Das Vor/ Rück-Verhältnis Bei Richtantennen wird noch eine weitere Eigenschaft (meist in dB) angegeben: das Vorwärts/ Rückwärts-Verhältnis, kurz Vor/ Rück-Verhältnis genannt. Dafür gibt es zwei Definitionen: 1. Das Vor/Rück-Verhältnis drückt aus, wie viel mal mehr Spannung bzw. Leistung die Antenne in der Hauptstrahlrichtung gegenüber der umgekehrten Richtung bringt. 2. Das Vor/Rück-Verhältnis ist die Relation zwischen der Spannung bzw. Leistung in Hauptstrahlrichtung zum Mittelwert aller Nebenzipfel-Spannungen bzw. -Leistungen im hinteren horizontalen Winkelbereich ±90° oder einem Teil davon. Die erste Definition ist einfach, da Leistungen aus zwei festen Richtungen verglichen werden. Bei der zweiten Definition muss ein Bereich mit vermeintlichen Maxima „abgefahren“ werden, deren Mittelwert man dann bildet. Leider lohnt sich dieser Aufwand praktisch nicht. Denn beispielsweise fünf hintere Nebenkeulen würden lt. Definition das gleiche Ergebnis liefern wie nur eine, wenn sie alle gleich groß sind (Bild 4). Und: Das Vor/ Rück-Verhältnis ist für die Praxis ähnlich aussageschwach wie der Gewinn. Denn wie es definiert wurde, ist meist nicht bekannt. Das unterstreicht: Richtdiagramme informieren am besten! Um das Vor/Rück-Verhältnis es zu ermitteln, richtet man die Antenne optimal auf einen Sender aus und misst die Empfangsspannung. Danach wird die Antenne umgedreht, und es wird erneut gemessen. Worin liegt die Bedeutung dieses Kennwerts? Logisch erscheint: Je größer das Vor/Rück-Verhältnis, um so wahrscheinlicher ist es, dass möglichst viel Leistung in die Hauptstrahlrichtung „gedrückt“ wird. Diese Leistung lässt sich jedoch schon mit den Öffnungswinkeln beschreiben. Wichtiger für die Praxis ist folgende Tatsache: Aus einer Richtung, in die eine Antenne nicht strahlt, kann sie auch nicht beeinflusst werden. Sowohl direkt eintreffende als auch von der Antennenumgebung (Masten, Schornsteine, Bäume) reflektierte Signale können der Antenne nichts „anhaben“. Je größer das Vor/Rück-Verhältnis ist, um so weniger wird der Empfang von Objekten nahe der Antenne sowie von Sendern aus anderen Richtungen gestört. Auf den Punkt gebracht Fassen wir nun zusammen, was wir über die Möglichkeiten, das Richtverhalten zu beschreiben, wissen: 1. Richtdiagramme liefern die meisten vom Praktiker benötigten Informationen. 2. Öffnungswinkel können nicht über die praktisch wichtige Abstrahlrichtung informieren. 3. Der Gewinn informiert nicht über die Abstrahlrichtung und unvollkommen über das Abstrahlverhalten. Da aber besonders bei Richtantennen für höhere Frequenzen Abstrahlrichtung und -verhalten ausreichend gut bekannt sind, genügt dort der Gewinn, um die Antennenanlage entscheidend zu kennzeichnen. Anders bei Kurzwellenantennen. Hier wird das Richtverhalten mehr oder weniger stark von der Umgebung beeinflusst, da sich die Antenne aufgrund des geringen maßgebenden Abstands in Wellenlängen etwa vom Boden oder von Hauswänden dieser nicht entziehen kann. Die Bilder 5, 6 und 7 zeigen beispielsweise, wie das vertikale Diagramm eines Halbwellendipols von dessen Aufbauhöhe über Grund abhängen würde, wenn die Erde ein idealer Leiter wäre. Man sieht: Das Abstrahlverhalten wird stark von der Höhe über Grund bestimmt, und zwar nicht absolut, sondern in Wellenlängen. Auch bei UKW-Antennen macht es noch Sinn, Höhe zu „schinden“. Denn die vertikale Abstrahlung ändert sich auch noch in mehreren Wellenlängen Abstand zum Grund beachtlich. Das horizontale Diagramm ist hier wie da hingegen kaum von der Aufbauhöhe abhängig. Mit dem Computer lassen sich Antennen unter verschiedensten Bedingungen zuverlässig simulieren. Hierbei werden dreidimensionale Richtdarstellungen geliefert. Ein bekanntes Antennensimulationsprogramm heißt EZNEC. Die Impedanz Antennen sind „Energieform- Wandler“. Leitungsgebundene Energie wird in Strahlung gewandelt oder umgekehrt. Sie dürfen daher nicht sperren oder kurzschließen, sondern müssen einen ständigen Energiefluss gewährleisten. Das schaffen sie, indem sie an ihren Klemmen einen Widerstand erscheinen lassen. Dieser ist im Sendefall ein Eingangs- und im Empfangsfall ein Ausgangswiderstand, aber in beiden Fällen bei der selben Frequenz gleich. Eingebürgert hat sich dafür der Begriff „Impedanz“ oder bei Monopolantennen „Fußpunktwiderstand“. Idealerweise handelt es sich um einen reellen (ohmschen) Widerstand. Oft wird auch die Bezeichnung „Strahlungswiderstand“ benutzt. Bild 5: Vertikales Richtdiagramm eines horizontalen Halbwellendipols 1/4 λ über idealem Grund [2] 12 HF-Einkaufsführer 2018/2019

Antennen Bild 6: Vertikales Richtdiagramm eines horizontalen Halbwellendipols 5/8 λ über idealem Grund (allgemeines Optimum, bestmögliche Flachstrahlung) [2] Ein Strahlungswiderstand ist jedoch an jedem Ort der Antenne definierbar. Die Impedanz einer Antenne hängt lediglich von der Antennengeometrie ab (Bild 8) und entsteht ganz einfach dadurch, dass die Antenne Strahlung erzeugen bzw. aufnehmen kann. Der mit dem Wellenwiderstand einer HF-Leitung vergleichbare Strahlungswiderstand einer verlustlosen Antenne ist in beiden Richtungen ein perfekter Wandler: Bei Anpassung wird die maximal entnehmbare Energie aus dem Sender über die Antenne abgestrahlt bzw. aus dem Empfangsfeld über die Antenne dem Empfänger zugeführt. Im Ersatzschaltbild der Impedanz einer praktischen Antenne gibt es neben dem Strahlungswiderstand immer einen Verlustwiderstand und bei elektrisch zu kurzer oder zu langer Antenne einen Blindwiderstand (Bild 9). Da der Verlustwiderstand etwa durch den ohmschen Widerstand des Antennenleiters, den Skin- Effekt, die nicht ideale Isolation oder Übergangswiderstände in der Einspeisung einen gewissen Minimalwert nicht unterschreiten kann, ist für einen guten Wirkungsgrad ein hoher Strahlungswiderstand Voraussetzung. Dafür einige Beispiele: • Dipol, sehr dünn und sehr hoch über Grund: 72 Ohm • vertikale Viertelwellenantenne auf ideal leitendem Untergrund: 36 Ohm HF-Einkaufsführer 2018/2019 • 2,5 m langer Vertikalstrahler auf dem 80-m-Band: 0,4 Ohm • dto. mit Dachkapazität: 1,5 Ohm • Loop, 2 m Durchmesser, auf 80 m: 0,01 Ohm Das Beispiel des Vertikalstrahlers zeigt: Eine Dach- oder Endkapazität ist im Vergleich zum Aufwand ein gutes Mittel, um den Strahlungswiderstand verkürzter Antennen zu erhöhen. Zur Frequenzabhängigkeit der Impedanz informieren Bild 10 und Bild 11. Gezeigt wird der Verlauf von ohmschen Anteil und Blindanteil eines 1 mm dicken Dipols bei 100 MHz bis zur elektrischen Länge von drei Wellenlängen nach Balanis. Die Online-Berechnungsmöglichkeit bietet [3]. Hier kann auch nach Meincke berechnet werden, während sich eine Darstellung für Monopol nach Brown und Labus bis zu einer elektrischen Länge von einer Wellenlänge in [2] findet. Man sollte grundsätzlich dazu wissen, dass bei den Maxima die Richtcharakteristik oft nicht optimal ist. Elektrische Länge/ Höhe Die mechanische Länge (von Horizontalantennen, wie z.B. dem Halbwellendipol) bzw. Höhe (von Vertikalantennen, wie z.B. der Groundplane) hat eigentlich nur rein konstruktive Bedeutung. Denn sie bestimmt den Platzbedarf, das Gewicht, die Windlast, die mechanische Festigkeit, den Montageaufwand. Elektrische Länge bzw. Höhe meint Bezug auf eine Wellenlänge der Betriebsfrequenz, was eine universelle Angabe gestattet. Ist ein Dipol beispielsweise etwas kürzer oder länger als eine halbe Wellenlänge, kommt eine echte Impedanz zustande: die Kombination eines Ohmschen und eines kapazitiven oder induktiven Widerstands. Daher bei elektrisch kurzen Antennen die „Verlängerungsspule“. Sie kompensiert die Kapazität im Speisepunkt. Besonders interessant ist die Abhängigkeit des vertikalen Richtdiagramms, speziell des sogenannten Erhebungswinkels, von Vertikalantennen von ihrer elektrischen Höhe. Beträgt diese 5/8 der Wellenlänge, ist die Strahlung am flachsten. Effektive Länge bzw. Höhe Wie gut eine Antenne funktioniert, sagt die effektive (wirksame) Länge bzw. Höhe aus. Sie ist geringer als die mechanische Länge oder Höhe. Grund ist die sinusförmige Stromverteilung. Die effektive Länge eines Halbwellendipols ergibt sich, indem man die über ihm bergförmig verlaufende Stromfläche (Bild 12) bei gleichem Flächeninhalt einfach rechteckig macht, wobei der Maximalwert im Speisepunkt erhalten bleibt. Genau so erhält man natürlich auch die effektive Höhe z.B. eines Viertelwellenstabs. Wichtig: Allein die effektive Länge/Höhe bestimmt die Spannung und damit die Leistung, die ein Feld beim Empfang erzeugt. Bei den genannten Antennen lassen sich diese Größen auf einfachste Weise errechnen: • Halbwellendipol: 0,32 x Wellenlänge • kurzer Dipol (

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