Antennen Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX

Präsentation zum Thema: "Antennen Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX"—  Präsentation transkript:

1 Antennen Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX
Kapitel Fragen TH101 bis TH160 Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke – DL4EAX

2 Eine Antenne… … dient der Abstrahlung und zum Empfang von elek-tromagnetischer Wellen. “Die Antenne ist der beste HF-Verstärker.“ - Autor unbekannt -

3 Dipol-Antenne Abmessungen von Antennen sind in der Regel mit der Wellenlänge verknüpft, d.h. • tiefe Frequenzen => hohe Wellenlängen => große Antennen • hohe Frequenzen => niedrige Wellenlängen => kleine Antennen Das unten stehende Bild zeigt einen λ/2-Dipol und die Verteilung von Strom und Spannung. Dabei bedeutet λ/2, dass eine halbe Wellenlänge auf die Antenne „passt“. In Wirklichkeit wird aufgrund des Streufeldes an den Stabenden noch ein Korrekturfaktor von 0,95 berücksichtigt. Bsp: λ/2 Dipol für 14,2 MHz Resonanzfrequenz (20m Band) 𝑙= λ 2 ∙0,95= 𝑐 2𝑓 ∙0,95= 3∙ 𝑚 𝑠 2∙14,2∙ 𝑠 ∙0,95=10 𝑚 |Z| Dipol ist am Speisepunkt niederohmig Dipol ist an den Stabenden hochohmig I Länge l = λ/2 U Bildquelle: Sebastian Hantscher – DL8BFV, eigenes Werk Bildquelle: Von Chetvorno - Eigenes Werk • Selbst fotografiert, Public Domain

4 Dipol-Antenne Am Antennenanschluss lässt sich eine frequenzabhänge Impedanz messen, die sog. Fußpunktimpedanz. Sie besteht aus: • dem Strahlungswiderstand RS (erwünscht) • dem Verlustwiderstand RV (unerwünscht) • dem Blindwiderstand X (unerwünscht) Antennen werden in der Regel in Resonanz betrieben. Eine Antenne ist in Resonanz , wenn ihre Fußpunktimpedanz einem Ohmschen Widerstand entspricht, also keinen kapazitiven oder induktiven Anteil besitzt. Ein Dipol ist in Resonanz, wenn seine Länge gleich ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge ist, also bei λ/2, λ, 3λ/2, 2λ usw. Ein λ/2 Dipol besitzt einen Strahlungswiderstand von theoretisch 73 Ω, wobei dieser Wert in der Realität durch die Aufbauhöhe, Umgebung usw. abweicht. Dagegen ist ein λ Dipol hochohmig (mehrere kΩ). Warum? Überlegen Sie sich die Verteilung von Spannung und Strom. Bildquelle: Von Frank Murmann, Gemeinfrei

5 Abstrahlwinkel eines Dipols
Der Gewinn eines λ/2 Dipols im freien Raum beträgt 2,15 dBi. Seine Abstrahlung ist vollkommen symmetrisch. In der Realität wirkt aber der Erdboden als Reflektor und beeinflusst damit die Richtcharakteristik. Dabei gilt: Je höher ein Dipol über dem Erdboden auf gebaut ist, umso flacher strahlt er ab und umso besser ist es für DX geeignet. λ/2 Dipol im freien Raum h λ/2 Dipol λ/2 über Erdboden λ/2 Dipol 3λ/2 über Erdboden Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk, simuliert in 4nec2

6 W3DZZ-Antenne Die W3DZZ-Antenne (Sperrkreisdipol) ist auf mehreren Bändern resonant. Sogenannte Sperrkreise (Parallelschwingkreise) sorgen dafür, dass ein Teil der Antenne für ein Frequenzband hochohmig ist und damit gesperrt wird. Verschiedenen Kombinationen möglich: z.B. 160/80m oder 40/20/15/10m. Bsp: “Ur“-W3DZZ für 80 m und 40 m, l1 ≈ 10 m, l2 ≈ 7 m Für das 40 m Band (7 MHz) sind die Sperrkreise in Resonanz und sperren den Rest der Antenne. Die Antenne hat also eine Gesamtlänge von etwa 20 m und entspricht damit einem λ/2 Dipol. Für das 80 m Band (3,5 MHz) sind die Sperrkreise niederohmig. Es kommt die gesamte Länge der Antenne von 34m zur Wirkung. Dabei bewirken die Sperrkreise zusätzlich eine Verkürzung der Antenne (verkürzter λ/2 Dipol). Bildquelle: Von wdwd - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0,

7 Windom-Antenne Da die Amateurfunkbänder oft ganzzahlige Vielfache voneinander sind, können Dipole auch auf verschiedenen Bändern resonant sein. Problem ist jedoch die Einspeisung. Würde man einen Dipol genau mittig einspeisen, so wären die Fußpunktimpedanzen auf den unterschiedlichen Bändern ebenfalls sehr unterschiedlich. Durch die Einspeisung bei etwa λ/6 sind die Fußpunktimpedanzen zumindest relativ ähnlich, wenn auch nicht 50 Ω, weswegen noch impedanztransformierende Baluns eingesetzt werden. Windom-Antennen werden daher als Mehrbanddipole eingesetzt. Zum Beispiel sind sie in der Kombination 80/40/20/17/12/10 m erhältlich. Durch Zusatzdrähte können auch das 30 m und das 15 m Band bedient werden. Bildquelle:

8 Faltdipol-Antenne Ein Faltdipol hat nahezu die identische Richtcharakteristik wie ein Dipol, daher findet er im Kurzwellenbereich heute kaum noch Verwendung. Jedoch besitzt er einen Fußpunktwiderstand von etwa 240 Ω bis 300 Ω. Im UKW-Bereich kommt es zum Einsatz von Faltdipolen, weil man die Stelle gegenüber der Einspeisung erden kann. Dadurch ergeben sich Vorteile beim Blitzschutz. Da bei Yagis durch die Direktoren der Fußpunktwiderstand stark abfällt, werden die etwas hochohmigeren Faltdipole als Speiseelement eingesetzt. Des Weiteren sind Yagi-Antennen mit Faltdipol weniger empfindlich gegen Prasselstörungen, wie sie durch statisch aufgeladenen Regen entstehen können. Bildquelle: Von F1jmm - Eigenes Werk • Selbst fotografiert, CC BY-SA 3.0 Bildquelle: Von Denis Apel in der Wikipedia auf Deutsch, CC BY-SA 3.0

9 Yagi-Antenne Da ein Dipol nur einen Gewinn von 2,15 dBi besitzt, werden Direktoren und Reflektoren verwendet, um den Gewinn und das Vor-Rück-Verhältnis zu vergrößern. Je mehr Elemente eine Yagi hat, umso größer ist ihr Gewinn. Anzahl der Elemente = Anzahl der Direktoren + Anzahl Reflektoren + 1 für Speisedipol Bsp: 11 elementige Yagi bestehend aus •einem Faltdipol als Erreger (gespeistes Element) •einem Reflektor (etwas länger als der Faltdipol) •9 Direktoren (etwas kürzer als der Faltdipol) Gewinn ,4 dBi Bildquelle: Von Denis Apel in der Wikipedia auf Deutsch, CC BY-SA 3.0 Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk, simuliert in 4nec2

10 Yagi-Antenne Der Direktor begünstigt die Ausbreitung in seine Richtung (vom Speisedipol aus gesehen). Ein Reflektor und vermindert die Ausbreitung hinter sich. Ursache: Der Speisedipol regt durch Strahlungskopplung die Direktoren und Reflektoren an, die wiederum selbst abstrahlen. Die Überlagerung ist konstruktiv oder destruktiv. Bsp: Interferenzen an einer Yagi-Antenne Interferenz des Feldes des Speisedipols mit dem des Direktors und Reflektors, welches aufgrund der räum lichen Trennung phasen verschoben abgestrahlt wird. Direktor Speisedipol Reflektor Resultierend Bildquelle: radartutorial.eu, CC BY-SA 3.0

11 Loop-Antenne Mit Loop-Antennen lassen sich flache Abstrahlwinkel realisieren (DX!). Bei einer Loop-Antenne ist der Umfang ist gleich der Wellenlänge, weswegen die auch als Ganzwellenschleife bezeichnet wird. Es sind verschiedene geometrische Formen möglich: Delta-Loop Square Oblong Loop Eine Loop-Antenne mit 80m Umfang kann bei direkter Speisung für das 80-Band genutzt werden und bei Anschluss eines Tuners an den Speisepunkt für die 10m- bis 80m-Bänder. Bildquelle: Sebastian Hantscher – DL8BFV, eigenes Werk

12 Magnetic Loop Loop-Antennen lassen sich bei Platzmangel auch deutlich kompakter aufbauen, d.h. der Umfang < Wellenlänge, z. B. Umfang = λ/10. Beliebt ist diese Antenne auch bei vielen Portabelfunkern. Man spricht dann von einer magnetischen Antenne oder Magnetic Loop, da die Antenne mehr einer Spule mit einer Windung ähnelt. Um die (verkürzte) Antenne nun wieder auf Resonanz zu bringen, wird ein Drehkondensator verwendet. Im Gegensatz zu einer Ganzwellen-Loop strahlt die Magnetic Loop kaum senkrecht zur Antennenebene ab. Außerdem besitzt sie einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad. Dies gilt aber für alle verkürzten Antennen. Bildquelle: Trixt - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0

13 Langdraht-Antenne Ein Langdrahtantenne ist eine Antenne, die länger als die Wellenlänge λ ist. Der Begriff wird heute aber auch für endgespeiste Antennen genutzt, die mitunter kürzer als λ sind. Sie werden auf Kurzwelle eingesetzt, wenn die lokalen Gegebenheiten einen Dipol nicht zulassen. Zudem ist sie leicht aufzubauen, was sie zu einer beliebten Portabelantenne macht. Nachteilig ist, dass endgespeiste Antennen eine sehr hohe Funkpunkt-impedanz besitzen. Daher müssen zu Anpassung an 50 Ω entweder λ/4 Leitungen oder Ununs mit hohem Übersetzungsverhältnis wie etwa 1:9 oder gar 1:64 eingesetzt werden. Bildquelle: Adamantios - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0

14 Groundplane-Antenne (λ/4)
Dipole (auch W3DZZ, Windom, Faltdipole), Langdrahtantennen und Yagis werden in der Regel horizontal aufgebaut. Dipole lassen sich aber auch vertikal aufbauen. Das Besondere ist dabei, dass der untere Dipolschenkel weggelassen werden kann, sofern eine leitfähige Fläche als „Gegengewicht“ zur Verfügung steht. Damit ist die Antenne mit λ/4 nur noch halb so lang wie ein Dipol. Solche Vertikalstrahler werden auch als Groundplane-Antennen bezeichnet. Eine λ/4 Groundplane (auch Marconi-Antenne genannt) besitzt eine Fußpunkt-impedanz von 30 bis 50 Ω und kann dadurch direkt an ein Koaxkabel angeschlossen werden. Bildquelle: Michael Funke – DL4EAX Von F1jmm - Eigenes Werk • Selbst fotografiert, CC BY-SA 3.0,

15 UKW-Vertikalantennen
Besonders im UKW-Bereich sind Vertikalstrahler beliebt. In der Regel werden diese dann aber für eine höhere Richtwirkung noch gestockt. Bsp: 1 - λ/4 2 - λ/2 mit Fuchskreis 3 - 5λ/8 4 - Sperrtopf Bildquelle: Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen Fragenkatalog Prüfungsfragen „Technische Kenntnisse“ Klasse E 1. Auflage, September 2006

16 Abstrahlwinkel (λ/4 <-> 5λ/8)
Horizontal strahlt eine Vertikalantenne isotrop, also rundstrahlend. Vertikal hat die Antenne aufgrund der Reflexion der Welle an der leitenden Fläche einen Abstrahlwinkel in Elevation, der nicht zu groß werden sollte. Dieser hängt ab von: • Beschaffenheit des Gegengewichts (Radials, Leitfähigkeit der Erdoberfläche) • der Strahlerlänge (siehe Richtdiagramme) λ/4 3λ/8 λ/2 5λ/8 Eine flache Abstrahlung wird für DX-Verbindungen bevorzugt, um eine hohe Sprungdistanz zu erzielen. Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk, simuliert in 4nec2

17 5λ/8 Antenne Bsp: 5λ/8 Antenne für das 40 m Band (7,1 MHz Mittenfrequenz) In der Praxis zu lang. Bei geringen Frequenzen erfordern Monopole sehr hohe Antennenmasten. Um das zu vermeiden, kann man Antennen durch folgende Maßnahmen verkürzen: • Verlängerungsspulen (in Serie) • Dachkapazitäten (gegen Masse) • Enden einer Drahtantenne umbiegen Nachteil: Die Verluste steigen und der Strahlungswiderstand sinkt. => Wirkungsgrad wird kleiner Bei extrem schlechten Antennen ist sogar der Antennengewinn G < 0 dBi. Das heißt, verkürzte Antennen sind stets nur eine Kompromisslösung. 𝑙= 5 8 ∙λ= 5 8 ∙ 𝑐 𝑓 = 5 8 ∙ 3∙ 𝑚 𝑠 7,1∙ 𝑠 =26,4 𝑚

18 Verkürzte Vertikalantennen
Mögliche verkürzte Antennen sind: Verlängerungsspule Dachkapazität Inverted L Antenne Sloper Vertikalantennen benötigen stets eine weit ausgedehnte Masse. Da besonders trockener oder steiniger Erdboden keine „richtige“ Erde im elektrischen Sinne ist, werden oft Radiale im oder auf dem Erdboden verlegt. Von wdwd - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0,

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20 Initiales Autorenteam: Sebastian Hantscher – DL8BFV Michael Funke - DL4EAX Willi Kiesow – DG2EAF Änderungen durch: Hier bitte Ihren Namen eintragen, wenn Sie Änderungen vorgenommen haben. Sie dürfen: Teilen: Das Material in jedwedem Format oder Medium vervielfältigen und weiterverbreiten. Bearbeiten: Das Material verändern und darauf aufbauen. Unter folgenden Bedingungen: Namensnennung: Sie müssen angemessene Urheber- und Rechteangaben machen, einen Link zur Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Diese Angaben dürfen in jeder angemessenen Art und Weise gemacht werden, allerdings nicht so, dass der Eindruck entsteht, der Lizenzgeber unterstütze gerade Sie oder Ihre Nutzung besonders. Nicht kommerziell: Sie dürfen das Material nicht für kommerzielle Zwecke nutzen. Weitergabe unter gleichen Bedingungen: Wenn Sie das Material verändern oder anderweitig direkt darauf aufbauen, dürfen Sie Ihre Beiträge nur unter derselben Lizenz wie das Original verbreiten. Der Lizenzgeber kann diese Freiheiten nicht widerrufen solange Sie sich an die Lizenzbedingungen halten. Details: