Antennenformen

So funk-tionieren Antennen

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Seite 4: Antennenformen

Seit dem Beginn der Funktechnik in den 1890er-Jahren wurden zahllose Antennenformen entwickelt. Die einfachste Antenne, die häufig als Behelf UKW-Tunern als Wurfantenne beiliegt, ist der Dipol mit zwei Drähten. Die Funktion ist einleuchtend: Durch den im ungeschirmten Draht zu den Spitzen fließenden Strom entsteht ein Magnetfeld. An den Spitzen bauen sich Ladungen auf und erzeugen ein elektrisches Feld. Beides strahlt in den freien Raum. Allerdings sollte die Länge des Dipols auf die Wellenlänge abgestimmt sein. Der Dipol funktioniert nur in der Dimension der halben Wellenlänge gut, denn die Laufzeit im Draht und damit die Resonanzfrequenz muss zur Sendefrequenz passen. Eine genaue Feldberechnung würde den Rahmen dieses Artikels allerdings bei weitem sprengen.

Bei Antennen gilt als Faustregel, dass mechanisch größere Konstruktionen typischerweise den höheren Gewinn bringen.

Der Dipol benötigt gegebenfalls am oder im Antennenfuß ein Bauteil (Balun), das seinen Wellenwiderstand an die Leitung anpasst und gegebenenfalls für eine Symmetrierung sorgt, denn der Dipol ist ein symmetrischer, Koax aber ein unsymmetrischer Leiter. Einfacher ist in der Tat der Anschluss eines simplen Antennenstabs, dessen Gegenpol die Erde ist, die Physik hat netterweise dessen Fußimpedanz mit ungefähr 40 Ohm in die Nähe der Impedanz der üblicherweise verwendeten 50-Ohm-Kabel gelegt, wenn dieser Stab eine Länge von einem Viertel der Wellenlänge hat.

Eine weitere Möglichkeit, das WLAN-Signal in die Luft zu bekommen, sind Patch-Antennen. Dabei handelt es sich um eine geeignet gespeiste rechteckige Fläche, den Patch, die sich vor einer großen Massefläche befindet. Mindestens eine Kantenlänge des Patches entspricht dabei der halben Wellenlänge, wobei sich durch die Wahl eines geeigneten Dielektrikums zwischen Patch und Massefläche die Länge verkürzen lässt. Derartige Antennen eignen sich besonders gut für den Aufbau auf Leiterkarten.

Braucht man eine noch stärkere Richtwirkung, die eine Einzelantenne allein nicht schafft, kann man über Koppelglieder auch mehrere Patch-Antennen zu Gruppen zusammenschalten. Durch die Interferenz der Wellen im freien Raum bildet sich eine Hauptkeule, auf die sich die Abstrahlung konzentriert, allerdings sind Nebenkeulen unvermeidbar. Je größer die Anzahl der Einzelantennen ist, umso größer ist die Richtwirkung und damit der Antennengewinn. Bei einem Stacked Array liegen beispielsweise mehrere Stabantennen übereinander.

Die Zusammenschaltung muss nicht unbedingt per Kabel erfolgen: Bei der Yagi-Uda-Antenne reichen in Richtung der Ausstrahlung angeordnete Stäbe, die im Grunde kurzgeschlossene Einzeldipole repräsentieren, welche die Welle führen. Hinter dem eigentlichen Empfangsdipol befindet sich noch ein Reflektor-Stab oder sogar ein Maschennetz. Die Yagi kommt häufig noch auf Hausdächern als Empfangsantenne für terrestrisches Fernsehen vor, sie wird aber auch gern für WLAN genutzt, weil es ein breites Angebot mit passender Wellenlänge im Amateurfunkfachhandel gibt.

Die beste Antenne nützt allerdings nichts, wenn sich zwischen Sender und Empfänger große Hindernisse befinden. Noch immer gilt beim Funk mit Frequenzen über 100 MHz: Richtfunk ist Sichtfunk, das sogenannte Fresnel-Ellipsoid – ein gedachter Football-ähnlicher Raum zwischen Sender und Empfänger – sollte möglichst frei sein. Dabei stören kleinere Hindernisse in der Mitte der Funkstrecke, wo das Ellipsoid die größte Weite aufweist, weniger als solche unmittelbar vor der Antenne.

Eine Gefahr für Antennen sind die Naturgewalten. Patch-Antennen besitzen zumeist eine Kunststoffhülle (Radom), die bei Eisansatz einen Totalausfall infolge einer Verstimmung der Antenne vermeidet. Auch bei Selbstbauantennen sollte man auf den Wettereinfluss achten, also die Antennenelemente mit einem wetterfesten Klarlack versehen, der vor Korrosion schützt, bei geschlossenen Rohren (Kaffeedosenantennen) einen Kondenswasserablauf anbringen, Kabel generell nach unten herausführen (damit kein Wasser vom Kabel in den Stecker läuft), nach dem Aufbau die Steckverbinder mit Lack versiegeln und so weiter.

Ein Koaxialkabel, in das Feuchtigkeit eingezogen ist, verändert seine elektrischen Eigenschaften drastisch und ist normalerweise ein Totalschaden, da man es mit Hausmitteln nicht wieder trockenlegen kann. Wenn nur die ersten Meter betroffen sind, kann man das Ende großzügig abschneiden und eventuell den Rest retten.

WLAN funkt nur dann gut, wenn Sichtverbindung besteht. Die Fresnel-Zone, ein gedachter Football-förmiger Körper zwischen Sender und Empfänger, muss weitgehend hindernisfrei sein.

Von einem anderen Wetterphänomen, dem Blitz, sind alle draußen montierten Antennen betroffen. Dort sollte ein Fachmann einen äußeren Blitzschutz anbringen. Für den Schutz der Antennenzuleitung bietet der Fachhandel zwischenschaltbare Elemente an. Schließlich muss man bei der Montage großer Antennen an Masten auf die Windlast achten: Bei Sturm können sie starke Kräfte auf den Mast ausüben, die ihn im schlimmsten Fall umknicken.

Nach all dem Aufwand nun am Kabel zu sparen, rächt sich schnell: Schon wenige Meter billiges Kabel können leicht den gesamten Gewinn einer guten Antenne schlucken. Bei der Verbindung zwischen Antenne und WLAN-Karte etwas großzügiger zu sein, ist gut angelegtes Geld, denn es wäre schade, wenn die guten Ideen, die hinter den vielfältigen Antennenkonstruktionen stecken, auf dem Weg zum WLAN-Gerät verloren gingen.

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