Kleine Rahmenantennen

Vorwort: Ein weiterer Bericht aus unserer Joe Carr Tech Notes Serie. Diese Serie richtet sich hauptsächlich an Hobbyneulinge und Einsteiger und befasst sich mit einigen Grundlagenthemen. Sie wurde uns freundlicherweise von Fred Ostermann zur Übersetzung zur Verfügung gestellt und ist im englischen Original auf http://www.dxing.com nachzulesen.

Kleine Rahmenantennen sind Rahmenantennen (Loop Antennas), deren Gesamtlänge des Leiters kleiner als 0,15 Lambda, also höchstens 15% der Wellenlänge betragen. Sie verhalten sich anders als große Rahmenantennen, wie beispielsweise die sog. Bisquad- oder Quadloops. Die “kleinen” Rahmen werden zur Peilung oder für Fernempfang von schwachen Stationen verwendet, wenn gleichzeitig starke Sender vorhanden sind.

Die Empfangsleistung von “kleinen” Rahmen (Anm. des Übersetzers: im Folgenden ist nur noch von “Rahmen” die Rede) ist geringer als die anderer Antennen (z.B. Halbwellendipole), aber sie hat extrem scharfe Nullstellen und breite Maxima, wodurch sie sich hervorragend für den Empfang auf überfüllten Bändern eignet. In diesen Fällen kann man sich für das günstigste Maß von Verstärkung in Bezug auf das Verhältnis von Nutzsignal zu Störungen entscheiden.

Rahmenantennen werden meist auf den niedrigeren Fequenzbändern eingesetzt. Zwar lassen sie sich auch für die höheren Kurzwellenbändern und den UHF-Bereich konstruieren, der Hauptanwendungsbereich beginnt aber von der Langwelle bis in den mittleren Kurzwellenbereich (etwa 10 kHz bis 8.000 kHz).

Rahmenantennen können kreisförmig, quadratisch, rechteckig, aber auch sechs- bzw. achteckig ausgebildet sein. Hier werden wir uns mit der quadratischen Form beschäftigen, da sie im Gegensatz zu den anderen relativ einfach herzustellen ist. Dies gilt nicht nur für den mechanischen Aufbau, ihre Leistungen entsprechen zudem auch der kreisförmigen Antenne.

Bild 1 zeigt die Grundform der quadratischen Rahmenantenne mit den Seiten der Länge A. Die Tiefe B ist die Tiefe der Windungen, sei es übereinander oder nebeneinander (gezeigt sind sie nebeneinander).

Die Verstärkung der Rahmenantenne ist bei gleicher Frequenz geringer als die eines Dipols und man muss mit entsprechend geringen, elektrischen Feldstärken am Ausgang der Antenne rechnen. Die Ausgangsspannung kann aber beträchtlich gesteigert werden, wenn der Rahmen mit einem parallel geschalteten Kondensator auf Resonanz abgestimmt wird, so wie mit C1 in Bild 1. Der Anstieg der Ausgangsspannung ist annähernd proportional zur Güte Q. Bei der praktischen Ausführung ist eine Güte von 1000 erreichbar.

Wie gesagt, die Ausgangsspannung steigt enorm bei Resonanzfrequenz. Das erfordert aber, dass die Abstimmung in Handreichweite sein muss, um sie bei Frequenzwechsel wieder neu abzustimmen (ausgenommen die variablen Kapazitätsdioden, auch Varaktoren genannt, mit denen man dieses Problem umgehen kann). Positive Eigenschaft ist, dass Rahmen mittels zweier Mechanismen unerwünschte Signale unterdrücken können: Durch Ausblenden eines zu starken, lokalen Signals mit der Nullstelle und durch bewusste Fehlabstimmung und somit zusätzlicher Abschwächung des Signals. Das trägt dazu bei, dass der Empfänger nicht mit Signalen überladen wird, was sich in Intermodulationsstörungen und Empfindlichkeitsverlust des Empfängers äußern würde (Unter Berücksichtigung der Signalstärken der Rundfunksender in AM auf den Langwellenbändern kann dies entscheidend zur Empfangsleistung beitragen!).

Einige Rahmenantennen sind als Transformator ausgebildet. Sie besitzen eine Koppelspule niedriger Impedanz, die in den Rahmen eingefügt ist wie in Bild 2. Für Mittelwellen-Antennen genügt eine Windung, für das Langwellen-Rundfunkband gegebenenfalls auch. Für den Bereich der Längstwelle sind bis zu fünf Windungen erforderlich.

Das horizontale Ausstrahlungs- bzw. Empfangsfeld sieht im Idealfall aus wie in Bild 3. Es entspricht in der Form einer Acht mit den Maxima in der räumlichen Ausdehnung der Antenne und den Minima, also den Nullstellen rechtwinklig zur Antenne. Das ist genau anders herum als bei den meisten Großrahmen, bei denen das Maximum rechtwinklich zur Fläche des Rahmens auftritt und das Minimum zu den Enden hin. Die Minima einer Rahmenantenne bewegen sich zwischen 20dB für weniger sauber und 40dB für sauber gefertigte Rahmen. Bei fast perfekter Ausführung und mit zusätzlichen Hilfmitteln ist dieser Wert praktisch bis auf 60dB steigerbar. Manche Literatur gibt gar  80dB an, doch bin ich skeptisch diesbezüglich. Eine 60dB-Absenkung entspricht einer Absenkung von 1.000.000 : 1, was in der Praxis schwer erziehlbar ist (eine 80dB-Absenkung entspricht
100.000.000 : 1. Dies nur, um meine Skepsis zu unterstreichen). Das Idealfeld wie in Bilde 3 kann durch lokale Einflüsse wie Erde, Gebäude oder andere leitende Gebilde in der Nähe gestört werden (noch ein Grund für meine Skepsis zu einer so extremen Signalabsenkung im Minimum).

Größere Rahmen haben auch eine größere Fläche und somit eine größere Aufnahme des Signals als kleinere Rahmen (falls Sie dieser Logik folgen können!), wird dem Empfänger also auch eine höhere Signalspannung liefern. Ab einem gewissen Punkt ist der Rahmen also nicht mehr “klein”, sodass die Ausbildung des Feldes nicht mehr dem entspricht, wie oben gezeigt. Es besteht ein Kompromiss zwischen Rahmengröße und Signalstärke, sowohl elektromagnetisch (“kleine” Rahmen < 0,15 Lambda) als auch mechanisch (schwieriger herzustellen und auszurichten) gesehen. Die meist bevorzugte Seitenlänge beträgt 60 bis 120 cm. Die hier behandelte Rahmenantenne hat die Seitenlängen 60 cm und 90 cm, weil sich hierfür in den Geschäften das geigneteste Material finden ließ.

Die Induktivität eines Rahmens kann mit der Formel (1) berechnet werden. Ist die Induktivität errechnet, kann dann mit der Formel (2) die Kapazität berechnet werden, die notwendig ist, um den Rahmen in Resonanz zu bringen.

Darin ist:

LµH    Rahmeninduktivität in Mikrohenry
A   Seitenlänge in cm
B   Rahmentiefe in cm
N   Windungsanzahl
K1, K2, K3 und K4 Faktoren, wie in Tabelle 1 beschrieben:

Tabelle 1:

Und für die Kapazität, um Resonanz zu erreichen:

Darin ist:

Cpf   Resonanzkapazität in Pikofarad
F   Resonanzfrequenz in Hertz (Hz)
LµH   Rahmeninduktivität in Mikrohenry

Sollte die Formel (1) bei der Berechnung Schwierigkeit bereiten, sind im Folgenden einige Richtwerte angegeben, die es erlauben, experimentell die richtige Rahmengröße, Induktivität und Resonanzkapazität zu ermitteln.

1. Für 1000kHz:  10 Windungen ergeben 98µH Induktivität
2. Für 5000kHz:  3 Windungen ergeben 4,6µH Induktivität

Mit diesen Referenzwerten dürfte experimentell die gewünschte Dimensionierung des Rahmens gefunden werden. Doch behalten Sie in Erinnerung, dass der Frequenzbereich etwa zwischen 100kHz und 7.500kHz liegen sollte.

Das Konstruieren einer Rahmenantenne

Rahmenantennen können auf verschiedenste Weise gebaut werden. Die Methode, die hier gezeigt wird, ist die wohl einfachste für quadratische Rahmen. Der Träger des Rahmens besteht aus Holzleisten, wie sie überall in Baumärkten zu bekommen sind. Bild 4 zeigt den Grundaufbau der quadratischen Rahmenantenne.

Das Kreuz besteht aus zwei Holzleisten, die jeweils in der Mitte so eingekerbt sind, dass das andere der beiden dort hinein gefügt werden kann, also ineinander. So zusammengeklebt und/oder geschraubt ergibt sich das Lattenkreuz. Ein Paar quadratischer Holzplatten (z.B. Sperrholz), die beidseitig über die Kreuzungspunkte geklebt und geschraubt werden, dienen der Versteifung. Es könnte auch nötig sein, in die Ecken des Lattenkreuzes kleine Verstärkungsklötze einzukleben oder schrauben. (Bild 5). Die Drähte werden straff um die Enden der Holzleisten gewickelt. Manche Bastler feilen in die Enden Kerben, in die die Drähte gelegt werden, andere bohren kleine Löcher, durch die die Drähte gezogen werden (Bild 6). Ich persönlich finde die Kerben bei dem Bewickeln hilfreicher, andere die Löcher. Die Löcher machen die Wicklung etwas stabiler.

Die Benutzung von Rahmenantennen

Die Rahmenantenne hat tiefe Minima rechtwinklig zur Fläche des Rahmens und Maxima zu den Enden hin. Die übliche Art, den Rahmen für Fernempfang einzusetzen ist, ihn so zu drehen, dass die Minima auf die Störer gerichtet sind und sie somit ausblenden. Dies kommt dem gewünschten Signal zugute.