Im Folgenden sollen grob die wichtigsten und gleichzeitig einfachsten Empfangsantennen mit ihren grundlegenden Unterschieden wie etwa ihrer Symmetrie bzw. Asymmetrie und ihrer typischen Speisewiderständen beschrieben werden. Grob, mehr nicht! Denn selbst die Rahmenbedingungen wie etwa Bodenleitfähigkeit, Bauhöhe, umgebende Bebauung, ja sogar die klimatischen Verhältnisse beeinflussen die einzelnen Antennentypen derart, dass ihre Eigenschaften mit der Theorie nur noch wenig zu tun haben. Die Beschreibung dieser Besonderheiten würde zu weit führen und sind hier nur stichpunktartig erwähnt.
Bei jeder Form von Antenne handelt es sich im Grunde um eine Monobandantenne, d.h., sie ist ohne weitere Anpassung nur für eine bestimmte Frequenz resonant. Sie ergibt sich aus der Drahtlänge. Damit wird deutlich, dass für die Nutzung weiterer Frequenzbereiche entweder weitere Drähte verschiedener Längen oder die Anpassung des eines Drahtes erforderlich ist. Im ersten Fall handelte es sich um sogenannte Mehrbandantennen. Wird von Breitbandantennen gesprochen, so ist damit lediglich gemeint, dass sie keine solch ausgeprägte Resonanzen besitzt wie Monobandantennen und deswegen – mit tolerierbaren Verlusten – viele Frequenzbereiche damit hörbar sind. Hier besteht eine Abhängigkeit vom Frequenzbereich: Je höher die Frequenz, umso „breitbandiger“ können Antennen werden – aber nur effektiv in Frequenzeinheiten gemessen, denn das Verhältnis von Bandbreite zu Frequenz ändert sich nicht. Die Breitbandigkeit wird unterstützt durch ein zunehmend steigendes Verhältnis der Leiterstärke zur abnehmenden Wellenlänge.
Symmetrische Antennen
Üblicherweise bezeichnet man Antennen als Dipole (Hertzsche Dipole), wenn sie so aufgebaut sind, wie die in den Abbildungen horizontal dargestellten.
Zwei Antennenelemente sind in einer Linie zueinander angeordnet und die inneren Enden bilden den Speisepunkt* (s.u.). Hier wird die Signalspannung abgegriffen. Da der Speisepunkt genau in der Mitte liegt, also symmetrisch zu den Elementen, werden solche Dipole auch als „symmetrische Antennen“ bezeichnet. Gleichzeitig lässt sich das Signal durch symmetrische Leitungen verlustarm übertragen. Symmetrische Leiter besitzen parallelgeführte, gleichartige Hin- und Rückleiter, die also den gleichen Widerstand besitzen, z.B. Stegleitungen.
Symmetrische Antennen sollen eine Drahtlänge, d.h. die Summe beider Elemente, von knapp** (s.u.) der halben Wellenlänge der Sollfrequenz besitzen, um in Resonanz zu geraten.
Die Impedanz einer symmetrischen Antenne, also die Summe aller Widerstände, ergibt sich durch das Produkt aus dem Antennenstrom, der im Speisepunkt minimal und der Spannung, die maximal ist. Im Speisepunkt stellt sich im Idealfall eine Impedanz von 73 Ohm ein, sodass ein Koax-Kabel mit 50 bis 75 Ohm als Zuleitung dienen könnte. Doch der Idealfall liegt praktisch nie vor.
Beeinflusst wird sie u.a. durch Fehlanpassung (keine Resonanz), zu große Leiterdicke (wird mit zunehmender Frequenz relevant, bei Kurzwelle nur gering), zu geringe Höhe über dem Boden (Güteverlust), Erde-Wert (Leitfähigkeit zu gering) und dem Winkel zwischen Boden und Antennendraht (Neigung). Jede Abweichung vom Ideal hat eine Impedanzerhöhung zur Folge. So sind Werte von einigen hundert Ohm realistisch. Damit eignen sich diese Dipole zum direkten Anschluss an den hochohmigen Antenneneingang von kleinen Reiseempfängern. Sowohl der Teleskopstab als auch eine evtl. vorhandene Antennenbuchse münden meist in ein und der selben Eingangsstufe, weshalb es egal ist, worüber der Kontakt hergestellt wird. Stationsempfänger besitzen oft neben ihrer 50 Ohm-Buchse Kastenklemmen für symmetrische Antennen.
Die bevorzugte Empfangsrichtung wird durch die Richtwirkung ausgedrückt, dessen Diagramm so aussieht:
Das bedeutet, dass die maximale Wirkung rechtwinklig zur Antennenachse herrscht, wärend der Empfang in axialer Richtung stark gedämpft ist.
Unüblicherweise, aber prinzipell lässt sich auch ein Hertzscher Viertelwellendipol aufbauen, dessen Eigenschaften im folgenden Bild dargestellt sind. Näher soll hier nicht darauf eingegangen werden.
Ganzwellendipole finden in der Kurzwellenempfangspraxis auf Grund ihrer Baugröße kaum Anwendung. Der typische Speisepunktwiderstand beträgt zudem einige Tausend Ohm und ist selbst an den hochmigen Antenneneingang nur sinnvoll über ein Transformationsglied zu betreiben.
Das Richtdiagramm entspricht einem Kleeblatt, wobei man sich für die Praxis getrost das Richtdiagramm des Halbwellendipols vor Augen halten kann. Bei Elementenlängen von mehr als der Wellenlänge hingegen zeigt die Richtwirkung immer mehr zu den Elementenenden, also zu der Achse hin.
Unsymmetrische Antennen
Unsymmetrische Antennen zeichnen sich durch die bauliche Strahlerlänge von knapp* einem Viertel der Wellenlänge aus, wobei hier der Vergleich mit Hertzschen Dipolen nicht fehlen darf, welche zwei Strahler der viertel Wellenlänge aufweisen. Unsymmetrische Antennen werden als Stabantenne verwendet, wobei die zweite Viertelwellenlänge „virtuell“, das heißt, das Spiegelbild des über der Erde befindlichen Strahlers, von der Erde empfangen wird.
Das zweite Element unterliegt also ganz andere Bedingungen als das erste, sowohl geometrischen als auch elektrischen, woraus die Unsymmetrie entsteht.
Typisch ist der resultierende Speisepunktwiderstand*** von im Idealfall 37 Ohm. Die Impedanz ergibt sich wie bei jeder Antenne aus der Lage des Speisepunktes. Der liegt bei einer resonanten Stabantenne an der Stelle des maximalen Stromes und der minimaler Spannung. Er wäre im Resonanzfall über ein KOAX-Kabel direkt an die 50 Ohm-Buchse eines Empfängers ohne wesentliche Anpassungsverluste anschließbar. Diese 50 Ohm-Buchsen finden sich vorwiegend an Stationsempfängern. Soll eine unsymmetrische Antenne an einen Reiseempfänger angeschlossen werden, wäre zur Impedanzanpassung ein Transformationsglied empfehlenswert. Abweichungen von den idealen Betriebsbedingungen wie oben aufgeführt haben auch hier eine Impedanzerhöhung zur Folge.
Als Speiseleitung kommen Koaxkabel zur Anwendung. Sie werden als asymmetrisch bezeichnet, da Hin- und Rückleiter verschiedene Eigenschaften besitzen (Schirmung, Innenleiter). Daraus ergibt sich insbesondere eine hohe Kapazität des Koaxkabels, die eine elektrisch verkürzende Wirkung hat.
Die Richtwirkung einer Vertikalantenne ist leicht erklärt: Sie empfängt aus allen Richtungen gleich stark. Als solche Rundempfangsantennen sind sie im Empfangsbetrieb beliebt.
Zur Vervollständigung der Sammlung sei auch hier noch eine Halbwellen-Vertikalantennen dargestellt. Aufgrund der Wellenlängen haben sie in der Kurzwellenempfangspraxis praktisch keine Bedeutung.
Drahtantennen
Simple Drahtantennen sind schwer einzuordnen, zumal sie auf Grund ihrer „beliebigen“ Länge nur auf einer ebenso willkürlichen Frequenz resonant sind.
Am ehesten stellen sie eine horizontale oder geneigte Version einer Stabantenne dar mit noch ungünstigeren Erdbedingungen (Spiegelung). Das Ergebnis sind Widerstandswerte von 300 – 600 Ohm.
Die Stabantenne besitzt zumindest noch eine eindeutige Geometrie zur Erde und – bei guter Bodenleitfähigkeit – ist der Empfang des Spiegelbildes begrenzt möglich. Die simple Drahtantenne ist hingegen und zu allem Übel auf die vom Empfängergehäuse gebildete oder vom Stromnetz bereitgestellte Erde angewiesen, was zusätzliche Störungen bedeuten kann.
Für Sendeanlagen wäre das unakzeptabel. Deswegen würde man hier wenigstens für eine Resonanzabstimmung sorgen, etwa durch entsprechende Transformation (Schwingkreise) und auf eine ausreichende Bauhöhe über der Erde, um die Güte und Richtwirkung positiv zu beeinflussen. Für Empfangsanlagen, die über empfindliche Empfänger verfügen und eine gewisse Breitbandigkeit der Antenne nicht nur verkraften, sondern sogar wünschen, wären die Verluste allemal zu verschmerzen.
Die folgenden Beispiele von Antennen geben einen Überblick darüber, wie die Elementenlängen berechnet werden und welche Speisung in der Praxis (dies sei betont) Sinn machen.
Allgemeines / Erläuterungen
* Der Begriff „Strahler“ und „Speisepunkt“stammt natürlich aus der Sendetechnik und führt immer wieder zu Missverständnissen. Aufgrund der prinzipiellen Vergleichbarkeit von Sende- und Empfangsantenne hat sich dieser Begriff gehalten.
** Verkürzungsfaktor: In der Praxis ist eine Kürzung der Drahtlänge etwa um den Faktor 0,95 erforderlich, um der rechnerischen Wellenlänge zu entsprechen. Dies ergibt sich auf Grund einer kapazitiven Wirkung der Antenne in Bezug auf die Erde sowie den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der elektromagnetischen Wellen im freien Raum im Verhältnis zu der von metallischen Leitern.
*** Wenn von Speisepunktwiderständen die Rede ist, muss betont werden, dass diese Werte idealisiert sind. Die Erde stellt einen nicht idealen Leiter dar, weshalb sich höhere Verluste bemerkbar machen als in baulichen Dipolen. Bei ihnen wirken sich dämpfende Einflüsse der Umgebung aus. Den idealisierten Fall zeigt folgende Grafik.
