DARC AJW Referat

Sebastian Hantscher – DL8BFV

Michael Funke – DL4EAX

Kapitel 1.8.1Fragen TH101 bis TH160

DARC AJW Referat

… dient der Abstrahlung und zum Empfang

elektromagnetischer Wellen.

“Die Antenne ist der beste HF-Verstärker.“

- Autor unbekannt -

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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)

I

U

|Z|

Länge l = λ/2

Dipol ist am Speisepunkt niederohmig

Dipol ist an den Stabenden hochohmig

Bildquelle: Sebastian Hantscher – DL8BFV, eigenes Werk

Bildquelle: Von Chetvorno - Eigenes Werk • Selbst fotografiert, Public Domain

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dipole_antenna_standing_waves_animation_461x217x150ms.gif

𝑙 =λ

2∙ 0,95 =

𝑐

2𝑓∙ 0,95 =

3 ∙ 108 𝑚𝑠

2 ∙ 14,2 ∙ 1061𝑠

∙ 0,95 = 10 𝑚

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Am Antennenanschluss lässt sich eine frequenzabhänge Impedanz messen, die sog. Fußpunktimpedanz. Sie besteht aus:

• dem Strahlungswiderstand RS (erwünscht)• dem Verlustwiderstand R

V(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 vontheoretisch 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

https://de.wikipedia.org/wiki/Antennentechnik#/media/File:Impedanz.svg

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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 undbeeinflusst damit die Richtcharakteristik.

Dabei gilt: Je höher ein Dipol über dem Erdboden auf-gebaut ist, umso flacher strahlt er ab und umso besser ist er für DX geeignet.

h

Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk, simuliert in 4nec2

λ/2 Dipol λ/2 über Erdboden

λ/2 Dipol 3λ/2 über Erdboden

λ/2 Dipol im freien Raum

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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, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38029676

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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: http://www.dj0ip.de/off-center-fed-dipole/classical-c-f-windom/

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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.

Bildquelle: Von F1jmm - Eigenes Werk • Selbst fotografiert, CC BY-SA 3.0

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11943213

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 Denis Apel in der Wikipedia auf Deutsch, CC BY-SA 3.0

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11361917

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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

Beispiel: Eine Yagi mit 11 Elemen bestehend aus

•einem Faltdipol als Erreger (gespeistes Element)

•einem Reflektor (etwas länger als der Faltdipol)

•9 Direktoren (etwas kürzer als der Faltdipol)

Gewinn

13,4 dBi

Bildquelle: Von Denis Apel in der Wikipedia auf Deutsch, CC BY-SA 3.0

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11361917

Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV,

eigenes Werk, simuliert in 4nec2

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Der Direktor begünstigt die Ausbreitung in seine Richtung (vom Speisedipol aus

gesehen). Ein Reflektor 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.

Beispiel: 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

http://www.radartutorial.eu/06.antennas/pic/YagiExplanation_director.gif

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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

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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 vielenPortabelfunkern.

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

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4623578

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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

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6329109

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Dipole (auch W3DZZ, Windom, Faltdipole), Langdrahtantennen und Yagis werden in der Regel horizontal aufgebaut. Dipole lassen sich aber auch vertikalaufbauen. 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 Koaxiakabelangeschlossen werden.

Bildquelle: Michael Funke – DL4EAX

Von F1jmm - Eigenes Werk • Selbst fotografiert, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11943336

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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

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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 hoheSprungdistanz zu erzielen.

Bildquelle: Sebastian Hantscher, DL8BFV, eigenes Werk, simuliert in 4nec2

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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 eineKompromisslösung.

𝑙 =5

8∙ λ =

5

8∙𝑐

𝑓=5

8∙3 ∙ 108 𝑚

𝑠

7,1 ∙ 1061𝑠

= 26,4 𝑚

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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,

https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38029522

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