Die Anwendung von Rahmenantennen

Joe Carr 
Deutsche Übersetzung :M. Tillmann 08/00
 

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.
 

Mit Rahmenantennen sind hier solche gemeint, dessen Leiter eine Gesamtlänge von < 0,15 Lambda haben. Sie weisen scharfe bzw. tiefe Nullstellen rechtwinklig zur Antennenfläche und breite Maxima zu den Enden hin auf. Das Strahlungsfeld dieser Rahmenantennen ist annähernd acht-förmig.
Dabei haben Rahmen eine geringere Verstärkung als Dipole. Das Strahlungsfeld und die geringe Baugröße machen die Rahmenantenne jedoch besonders nützlich in bestimmten Situationen.

Eine der Hauptanwendungen von Rahmenantennen ist die Peilung. Die Maxima sind zu breit für eine eindeutige Peilung, aber die Nullstellen sind um so schärfer. Das Ziel wird generell empfangen, wenn das Maximum grob in dessen Richtung zeigt. Die präziese Peilrichtung ist gefunden, wenn der Rahmen soweit gedreht wird, bis die Nullstelle die Station am tiefsten ausblendet, d.h., wenn die Signalstärke auf ein Minimum gesunken ist.

In der Position, in der sich die Nullstellen auf der Linie der Station befindet, besteht jedoch eine Zweideutigkeit, da der Rahmen zwei Minima hat. Die tatsächliche Richtung der Station liegt damit entweder in der einen oder der anderen Richtungen. In einigen Peilsystemen wird eine Stabantenne in der Nähe des Rahmens angebracht, um eine der beiden Nullstellen abzuschwächen. Damit ist die gesuchte Richtung die, in die die Nullstelle mit der tieferen Ausblendung zeigt.

Am häufigsten wird eine Rahmenantenne auf stark belegten Bändern verwendet, um Interferenzen (und Störungen) aus Richtungen zu reduzieren, die nicht in denen der gewünschten Sender liegen.
Betrachte die Situation in Bild 1A. Diese Antenne hat einen rundumstrahlenden Charakter und empfängt so aus allen Richtungen gleich stark. Nehmen wir an, die zwei Signale SIG1 und SIG2 senden auf gleicher Frequenz, aber aus verschiedenen Richtungen. Haben sie den gleichen Signalpegel (siehe Diagramm in Bild 1A), werden sie sich im Empfänger überlagern und für Interferenzen untereinander sorgen.

Und wird ein Signal stärker als das andere, wird es dessen Empfang behindern. D.h. es gibt Probleme dadurch, dass das schwächere Signal schwerer oder garnicht mehr zu hören ist. In meiner Heimat haben wir eine AM-Rundfunkstation, die auf 780 kHz sendet. Vor einigen Jahren wiesen manch empfindliche Empfänger (oft Autoradios) einen Pfeifton von 10kHz auf, wenn sie auf diesen Sender abgestimmt waren. Das Problem entstand durch eine etwa 180 km entfernte Station, die auf der Frequenz 790kHz sendete. Da wir uns tief in dessen Bereich der Bodenwellen befanden, trat starke Intermodulation mit den 780kHz auf und erzeugte einen 10kHz-Überlagerungston. Es schien, als hätte die Regulierungsbehörde den Betrieb dieses Senders gestoppt, denn entweder wechselte er auf eine andere Frequenz oder stellte den Betrieb bald ein.

Bild 2B zeigt die Situation, in der die Rahmenantenne so gedreht wurde, dass eine Station ausgeblendet ist. Grundsätzlich hat das gewünschte Signal die größte Signalstärke, wenn die Hauptkeule des Maximums auf diese Station gedreht wird, doch ist dieses Verfahren nicht immer das Beste. Bedenken Sie, dass wir das Signal SIG2 hören und uns von SIG1 befreien möchten. Drehen wir also die Antenne mit der Nullstelle auf die unerwünschte Quelle SIG1, wird dieses Signal im Empfänger deutlich reduziert (siehe Diagramm in Bild 1B), obwohl es die gleiche Signalstärke am Empfangsort bietet. Also, trotzdem SIG1 bedeutend stärker als SIG2 ist, ist mit der korrekten Ausrichtung der Antenne eine deutliche Verbesserung des SNR (Signal zu Stör-Verhältnis) möglich.
 

Die Tiefe der Ausblendung einer störenden Quelle ist meist wichtiger als die verstärkende Wirkung auf das gewünschte Signal, indem das Maximum darauf gerichtet wird. Das SNR ist letzlich das, was zählt. Viele Hörer stimmen darin überein, dass ein SNR von 10dB nötig ist, um von bequemem Empfang zu sprechen.
 

Benutzung der Rahmenantenne - mittels Drehen

Wird eine Rahmenantenne nur zum Empfang einer einzelnen Station verwendet, wird es notwendig sein, die Antenne und damit die Nullstellen und Maxima je nach Situation und evtl. Frequenz immer wieder neu zu drehen. Meist stehen Rahmenantennen auf dem Tisch, und da lässt sie sich bei Bedarf einfach von Hand drehen. Doch besonders elegant ist das nicht unbedingt. Etwas weniger primitiv ist die Methode, wie in Bild 2 dargestellt. Der Rotor ist hier nichts anderes als eine Einrichtung, die in den USA "Lazy Susan" genannt wird. Diese Drehscheibe mit einem Durchmesser von knapp einem Meter wird üblicherweise in Tischmitte aufgestellt. Durch Drehen der Scheibe kommt so jeder Tischgast an das gewünschte Essen, welches darauf abgestellt ist.

(Anm. von MATI: Die Übersetzung des folgenden Absatzes über "Lazy Susan´s", auch als Bausatz, erspare ich mir).

Ich habe Varianten von Rotoren gesehen, die sich fernsteuern lassen. Es gibt kleine, drehbare Plattformen, die zur Präsentation von Waren oder Displays verwendet werden. Deren typische Drehgeschwindigkeiten liegen bei 1 - 12 pro Minute. Einige davon werden durch 12V-Motoren angetrieben und können an jeder Stelle, an der genügend Platz vorhanden ist, aufgestellt werden (Motoren, die von Netzspannung angetrieben werden, sind nicht geeignet). Ferner könnten noch Endschalter oder elektrische bzw. optische Melder notwendig sein, um zu verhindern, dass sich der Rahmen z.B. auf dem Tisch mehrfach um sich selbst dreht. Ansonsten würde der Rahmen die Antennenleitung aufwickeln oder abreißen.
 

Einsatz der Rahmenantenne - wo?

Für die meisten Leute ist die Antwort auf die Frage, wo die Antenne installiert wird, einfach zu beantworten: Auf den Tisch, direkt neben den Empfänger, klar. Ein Freund von mir benutzt eine Rahmenantenne, um den Sender WSM, Nashville, TN auf 650 kHz von der Ostküste von Virginia aus zu empfangen. Er besitz ein Haus mit zwei Speichern Parterre und einem Dachgeschoss , ist sich aber nicht schlüssig, wo er die Antenne im Haus unterbringen soll (eine geduldige und tolerante Ehefrau half). Experimente zeigten, dass der beste Ort Parterre war, weil da die Störungen am geringsten waren. Es war aber auch so, dass zwar das Signal über die Raumwelle, gleichzeitig aber auch die Signale der Nachbarkanäle sowohl über Raumwelle als auch über Bodenwelle in der ersten Etage schwächer kamen als Parterre. Nochmal, das Entscheidende ist weniger die Signalstärke als vielmehr das Verhältnis von Signal zu Störungen. Für diesen speziellen Fall mit den konkreten Einfallswinkeln des Signals war der tiefste Punkt im Haus auch der Beste, trotz aller Theorie.
 

Verwendung der Rahmenantenne als Nachsetzer für Reiseempfänger

Die meisten Reiseempfänger nutzen entweder eine interne Ferritantenne oder eine eingebaute Teleskopantenne. Keine der beiden Antennen ist besonders leistungsfähig. Mit der Teleskopantenne gelingt trotz Geduld nicht viel mehr als Lokalempfang. Ja schon, herrscht am Empfangsort ein Problem in Sachen Interferenzen, ist die Unempfindlichkeit der Teleskopantenne eine gute Eigenschaft, aber für andere Fälle nicht. Hier kann die Rahmenantenne die Leistung von Reiseempfängern erheblich steigern.

Bild 3 zeigt eine von möglichen Anwendung einer Rahmenantenne, um die Leistung eines Reiseempfängers mit einer internen Ferritstabantenne zu verbessern. Die Ferritantenne ist eine Spule, die auf einen Ferritstab von rund 1cm Durchmesser und mehreren Zentimetern Länge gewickelt ist. Im Vergleich zur Rahmenantenne hat die Ferritantenne das Maximum entlang der Längsseite des Stabes und die Nullstellen an den Enden. Die Lage des Ferritstabes in einem üblichen Radio ist im Bild angedeutet. Für jedes Radio gilt auf jeden Fall, dass die Maxima und die Nullstellen des Ferritstabes mit denen des Rahmens übereinstimmen müssen. D.h., die Ferritantenne muss im rechten Winkel zur Fläche der Rahmenantenne stehen. Diesen Sachverhalt zeigt Bild 3 damit, dass man auf eine Endseite des Ferritstabes und gleichzeitig auf die Fläche des Rahmen schaut.

Der Rahmen hat Seitenlängen von 60 bis 100cm und ist Resonant auf der gewünschten Frequenz. Ein typischer, quadratischer  Rahmen, der mit einem Kondensator von 365pF für den Mittelwellenbereich dimensioniert ist, hat etwa 10 Windungen mit einer Tiefe von einem cm und 61cm Seitenlänge. Wenn das Radio und der Rahmen auf die gleiche Frequenz abgestimmt sind, nimmt der Rahmen einerseits die Energie auf und koppelt sie gleichzeitig in die Ferritantenne ein. Daraus resultiert der Anstieg der Empfangssignalstärke im Radio.

Kurzwellenempfänger besitzen üblicherweise eher eine Teleskopantenne als eine Ferritantenne. Bild 4 zeigt schematisch die gleiche Konzeption der v.g. Rahmenantenne, aber für Empfänger mit Teleskopantenne.

Verwendung der Rahmenantenne bei Stationen auf gleicher Achse

Die Fähigkeit einer Rahmenantenne, Interferenzen und andere Störungen ausblenden zu können hat sie dadurch, dass die Nullstellen und Maxima um 90 Grad versetzt zu einander sind. Daraus folgt, dass die beiden Nullstellen sich gegenüber liegen, also um 180 Grad versetzt sind. Bei unsauber gefertigtem Rahmen können die Nullstellen auf den beiden Seiten verschieden ausgeprägt sein, bei einer ordentlich
gefertigten Antenne sollten die Nullstellen jedoch etwa gleich aussehen, es sei denn, lokale Einflüsse wie Bewuchs, Gebäude oder el. Leiter stören das Strahlungsfeld. Diese Geometrie hat zur Folge, dass die maximale Ausblendung eines Störers dann möglich ist, wenn er in einem Winkel von 90 Grad zum gewünschten Sender steht. Bei diesem optimalen Verhältnis stünde also die Hauptkeule in Richtung gewünschter Station und die Nullstelle in Richtung störende Station.

Aber was geschieht, wenn die gewünschte  und die störende Station auf der gleichen Achse stehen? Wenn beide zudem in der gleichen Richtung stehen, lautet die Antwort:"Nicht viel!" Es sei denn, die Stationen kämen mit verschiedenen Komponenten der Raumwelle an. Dann könnte man die störende Station durch Kippen des Rahmens abschwächen.

Wenn zwei Signale zwar auf der gleichen Achse stehen, aber aus entgegengesetzter Richtung eintreffen, gibt es andere Lösungen. Die eine ist die Verwendung eines Rahmens in Verbindung mit einer Stabantenne, die das Strahlungsfeld zur Herzform ändert. Die andere ist die, einen weiteren Rahmen hinter die Rahmenantenne zu plazieren.

Bild 5 zeigt die Anwendung eines weiteren Rahmens (Spoiler), indem er zwischen die störende Signalquelle und der Empfangsantenne (hier einer Ferritantenne) plaziert wird. Sie muss zu diesem Zweck etwa 60 bis 90 Grad aus der Achsrichtung herraus gedreht werden. Der exakte Winkel muss jedoch für jeden Fall ertastet werden.

Der Spoiler wird in einem Abstand von 30 bis 90 cm hinter der Empfangsantenne aufgestellt, das beste Resultat wird auch hier das Experiment erbringen.
In diesem Beispiel ist die eigendliche Empfangsantenne ein Ferritstab (weil hier angenommen werden soll, dass an dessen Stelle ein Reiseradio mit Ferritantenne steht), aber es könnte auch eine (zweite) Rahmenantenne sein, wie es im Falle eines Kurzwellenempfängers erforderlich sein dürfte. Die haben ja üblicherweise keine interne- bzw. eigene Antenne.