Mit einem Tuner wird auch die sprichwörtliche Regenrinne oder das Bettgestell zur Antenne. Mit den modernen Auto-Tunern ist das auch sehr bequem geworden. Aber der Wirkungsgrad solcher Antennen ist doch eher bescheiden. Für leistungsfähige Antennen wird man angepasste Strahler anstreben. Die perfekte Anpassung muss dabei nicht unbedingt eine Resonanz auf dem Strahler selbst sein.
Resonanz und Randbedingungen
Diese Resonanz ist im Prinzip das gleiche wie bei einem Glockenspiel. Ein Stab erzeugt durch mechanische Schwingungen die gleiche Frequenz als akustische Schwingung in der Luft. Die Frequenz oder Tonhöhe hängt von der Länge des Stabes ab. Ein zweiter wichtiger Einfluss sind die sogenannten Randbedingungen. Befestigt man ein Stück Seil mit dem einen Ende am Boden und nimmt das andere Ende in die Hand, so kann man es im Kreis schwingen lassen, sodass es einen Schwingungsbauch gibt. Mit etwas Geschick klappt das auch mit zwei Bäuchen, die dann sinusähnlich aussehen. Lässt man das untere Ende lose schwingen, wird sich ein sogenannter Schwingungsknoten etwas oberhalb vom unteren Ende bilden. Die Randbedingungen geben also vor, welche Schwingungen sich überhaupt bilden können. Dazu sind bei solchen Schwingungen Oberwellen möglich, was z. B. bei einem Schwingkreis nicht geht.
Strahler
Bei unseren Antennenstrahlern passiert nun etwas Ähnliches wie beim Glockenspiel. Die elektrischen Signale von der Speiseleitung bilden Schwingungen auf dem Strahler. Wenn das Signal die zum Strahler passende Frequenz hat, ist der Strahler resonant und seine Impedanz rein reell. Die stehende Welle auf dem Strahler erzeugt ein elektromagnetisches Feld und wird vollständig abgestrahlt. Es gibt keine Blindanteile, keine zurücklaufende Leistung und damit keine stehenden Wellen auf der Zuleitung.
Lambda/2-Strahler
Bei den üblichen Strahlern einer Yagi-Antenne wird das Signal in die Mitte eingespeist. Wir bevorzugen hier eine niederohmige Anpassung, um mit wenig Aufwand die üblichen Kabel benutzen zu können. Zum anderen bedeutet niederohmig auch, dass wir am Speisepunkt nicht mit hohen Spannungen rechnen müssen. Der Isolationsaufwand auf dem Antennenträger („Boom“) wird also minimiert. Die Randbedingung für die offenen Enden des Strahlers sehen so aus, dass am Ende kein Strom fließen kann. Der Strom muss also an den Enden des Strahler einen Knoten haben. Schauen wir uns den Verlauf des Sinus an, passt also eine halbe Schwingung auf den Strahler. Das ist der klassische Halbwellendipol wie ihn wohl die meisten Richtantennen nutzen. Der Verlauf der Spannung ist genau um 90° phasenverschoben, entspricht mathematisch also dem Kosinus. In der Mitte des Dipols hat der Strom sein Maximum und die Spannung ihr Minimum. Nach dem Ohm’schen Gesetz haben wir also ein Minimum der Impedanz wie gewünscht in der Mitte.
Harmonische
1. Oberwelle
Bei den Oberwellen müssen wir nun zwei Fälle unterscheiden. Bei den ungeraden Oberwellen ist ein Stromknoten in der Mitte. Die Impedanzverhältnisse sind also genau umgekehrt. Die Strahlermitte ist hochohmig und wir haben hohe Spannungen in der Mitte. Bei den geraden Oberwellen dagegen ist wieder alles wie bei der Grundwelle. Man kann also bei Mehrbandantennen auf die Traps verzichten, wenn das Frequenzverhältnis z.B. 3 ist.
Man muss aber nicht unbedingt niederohmig einspeisen. Ein schönes Beispiel für eine hochohmige Einspeisung ist die vom Österreicher Josef Fuchs erfundene Antenne. Da diese Antenne am Ende eingespeist wird, verhält sie sich im Prinzip für alle Oberwellen gleich.
Verwandte
Lambda/4-Leitung
Ein entfernter Verwandter des resonanten Antennenstrahlers ist die Lecherleitung, eine Leitung mit der elektrischen Länge von λ/4. Sie hat auch den sinusförmigen Verlauf von Spannung und Strom. Man kann sie z.B. benutzen um einfach mit Kabel oder Leiterbahnen gezielt einzelne Frequenzen zu filtern. Aber man muss natürlich beachten, dass sie anders als ein Schwingkreis auch auf den Oberwellen resonant ist.
Die Radials einer Vertikalantenne sind nun wieder von der Funktion her Lecherleitungen. Durch das offene Ende sind sie dort hochohmig und damit am Speisepunkt niederohmig. Sie erzeugen also am Speisepunkt quasi virtuell eine gute Erdung.
Andere Strahler
Die hohen Spannungen am Ende der Strahler und Radials führen bei ungünstigen Bedingungen zu Entladungen, die die Antenne beschädigen können. Um dieses Problem zu vermeiden wurde 1942 hoch oben in den Anden die Quad-Antenne erfunden.
Ist der Strahler zu kurz, so stellt sich am Speisepunkt eine hohe Impedanz ein. Diese kann man empfangsseitig mit einem aktiven Impedanzwandler anpassen und erhält so eine aktive Antenne. Oder aber man benutzt einen Transformator. Dieser Aufbau ähnelt dann einer Fuchsantenne. Wenn der Strahler nur wenig zu kurz ist, reicht auch eine so genannte Verlängerungsspule. Die bekannteste Bauform ist wohl die 5/8 λ. Umgekehrt kann der Strahler auch mit einer Dachkapazität elektrisch verlängert werden.
Die meisten Antennenstrahler sind am Ende entweder „offen“ oder der Strahler ist eine geschlossene Schleife. Als Impedanz also unendlich oder Null. Man kann nun den Abschluss aber auch mit einer definierten reellen Impedanz machen und erhält so eine Beverage-Antenne, benannt nach dem Amerikaner Harold Henry Beverage.
Neben naheliegenden Vorteilen wie einem kompakteren Aufbau verändern diese Modifikationen auch die Abstrahlcharakteristik, also das Richtdiagramm. Für die optimale Antenne bei einer gegebenen Aufgabenstellung müssen also neben Resonanz und Anpassung noch viele weitere Parameter berücksichtigt werden. Der Amateurfunk gibt uns die Möglichkeiten, all das praktisch auszuprobieren.
