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Antennentechnik Drucken E-Mail
Eine Antenne ist ein elektrische und magnetische Felder zulassender Leiter und dient zum Empfangen oder Senden von elektromagnetischen Wellen. Die Baugröße liegt in der Größenordnung der Wellenlänge, bei kurzen Wellenlängen auch ein Vielfaches und bei sehr langen auch einen Bruchteil davon und reicht von mehreren 100 m für den Längstwellenbereich bei unter 10 kHz bis hinab zu Bruchteilen von Millimetern für den Höchstfrequenzbereich bei über 1 THz[1. Eine Sendeantenne wandelt elektromagnetische, leitungsgebundene Wellen in Freiraumwellen um, die eine Empfangsantenne wieder in leitungsgebundene elektrische Wellen zurückwandelt.

Im Jahre 1893 begann der in Kroatien geborene Serbe Nikola Tesla Experimente mit verschiedenen Hochfrequenzoszillatoren und konnte bereits Ende 1896 mit einer Sendestation in New York und einer 30 Kilometer entfernten Empfangsstation mit einer langwelligen Resonanzfrequenz von zwei Megahertz gute Fernübertragungsergebnisse erzielen. Am 2. September 1897 meldete er zwei Patente (Nr. 649.621 und 645.576) zur drahtlosen Energieübertragung an.

Der Italiener Guglielmo Marconi baute auf dem Wissen Teslas auf und stellte am 10. Mai 1897 sein Verfahren der Öffentlichkeit vor. Dabei sendete er Signale über den Bristolkanal. Im Oktober 1897 betrug die Distanz schon 15 km. Bei seinen Versuchen verwendete er einen Draht an einer hölzernen Zeltstange. Aus dem italienischen Namen für Zeltstange l'antenna centrale leitet sich das Wort für Antenne ab. Systematische Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften von Antennen gehen zurück auf den deutschen Physiker Heinrich Hertz, die auf den theoretischen Grundlagen des Engländers James Clerk Maxwell aufbauten.

Mit einer Drachenantenne in 100 m Höhe überbrückte Marconi 1901 den Atlantik. Marconi erhielt 1909 neben Ferdinand Braun den Nobelpreis in Physik für die Entwicklung der drahtlosen Telegraphie.

Der Erste Weltkrieg markiert 1914 den eigentlichen Beginn der Antennentechnik. Man benutzte zunächst Rahmenantennen als Empfänger. Um 1920 folgten Antennenarrays, später Hornstrahler und Parabolantennen.

Erst sechs Monate nach Teslas Tod wurde im Juni 1943 vom Supreme Court, dem höchsten US-Gerichtshof der Vereinigten Staaten, entschieden, dass Tesla der eigentliche Vater des Radios sei.

Prinzip

Elektromagnetische Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich im Raum ausbreiten. Die Erzeugung der elektromagnetischen Wellen kann mit einem elektrischen oder einem magnetischen Wechselfeld erfolgen, die sich ausbreitende Welle besteht immer aus einer Kombination von beiden. Eine exakte physikalisch-mathematische Beschreibung liefern die Maxwellschen Gleichungen bei vorgegebenen Randbedingungen. In der Praxis berechnet man die Abstrahlung der Energie durch Näherungsverfahren.

Reziprozität

Reziprozität oder Umkehrbarkeit ist gegeben, wenn in einer Anordnung die Position von Ursache und Wirkung miteinander vertauscht werden können, ohne dass die Verknüpfung zwischen Ursache und Wirkung sich ändert. Antennen sind grundsätzlich reziprok. Sie zeigen sowohl beim Senden als auch beim Empfang gleiche Eigenschaften. In der Praxis gilt die Reziprozität nur begrenzt. Eine Antenne, die für den Empfang ausgelegt ist, wird evtl. beschädigt, wenn sie die hohen elektrischen Leistungen einer Sendeanlage abstrahlen soll. Als Sendeantennen sind auch solche Empfangsantennen ungeeignet, deren nichtlineare Elemente wie z. B. Ferrite nicht entsprechend ausgelegt sind. Weitere Probleme mit der Reziprozität treten bei vermeintlichen Breitbandantenne z. B. LPDA auf, wenn Sie extrem breitbandige Signale (UWB) bedienen sollen.

Funktionsprinzip

Die Entstehung einer Antenne als Resonanzgebilde erläutert die Grafik anhand einer Dipolantenne. Eine einfache Dipolantenne erzeugt bzw. empfängt sowohl elektrische, als auch dazu senkrecht stehende magnetische Felder. Man kann sie sich als entarteten Schwingkreis aus Kondensator und Spule vorstellen: Die Kondensatorplatten werden je um ±90° nach außen gedreht und zu einem Leiter geformt; die Leitungsinduktivitäten übernehmen die Funktion der Spule. Wird der Kreis in elektrische Schwingungen versetzt, bilden sich geschlossene elektrische Feldlinien (in der Animation blau), die das System mit Lichtgeschwindigkeit verlassen. Die senkrecht zum E-Feld verlaufenden Magnetfelder bilden geschlossene Kreise um den Leiter (in der Animation rot). Im Nahfeld nimmt die Feldstärke proportional zur dritten Potenz der Entfernung r ab. Im Fernfeld verringert sie sich lediglich proportional 1/r. Die Leistungsdichte der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen ist dem Produkt aus elektrischer und magnetischer Feldstärke proportional und nimmt daher mit 1/r² ab (Abstandsquadratgesetz).

Die Orientierung der abgestrahlten elektrischen Feldlinien gegenüber der Erdoberfläche heißt Polarisation. Ist die Orientierung zeitlich unverändert, spricht man von linearer horizontaler oder linearer vertikaler Polarisation. Hierbei wird lediglich die Orientierung des E-Feldes berücksichtigt. Ist die Stärke des elektrischen Feldes zeitlich konstant, die Richtung der Feldlinien jedoch zeitabhängig, so liegt zirkulare Polarisation vor (linksdrehende oder rechtsdrehende zirkulare Polarisation). Wenn Empfangs- und Sendeantenne nicht die gleiche Polarisationsart und -richtung haben, wird die Signalübertragung stark gedämpft.

Eine Antenne wirkt prinzipiell am besten, wenn sie auf die Wellenlänge abgestimmt ist, die sie empfangen oder senden soll. Man nennt das wie beim Schwingkreis und anderen schwingungsfähigen Gebilden: Resonanz. Die Resonanzfrequenz wird durch die Abmessungen der Antenne bestimmt. Durch spezielle konstruktive Maßnahmen kann man erreichen, dass der Fußpunktwiderstand über einen großen Frequenzbereich weitgehend konstant bleibt und somit ein breites Frequenzband übertragen werden kann (Breitbandantennen).

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Antennentechnik aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.


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