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Die Funktionsweise von Antennen

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Die Formel für die Wellenlänge von Funkwellen wurde bereits erwähnt. Eine Antenne, die halb so lang ist wie die Wellenlänge der verwendeten Frequenz (Halbwellenantenne), ist am effizientesten.
Wenn Sie z. B. eine Frequenz von 433 MHz verwenden, beträgt die Wellenlänge ca. 70 cm, also wäre eine Antenne in Länge von ca. 35 cm am effizientesten. Der Sender muss Funkwellen mit begrenzter Leistung aussenden, und der Empfänger muss die gesendeten Funkwellen effizient auffangen können. Mit einer Antenne in dieser Länge erreichen die Antenne und die gesendeten Funkwellen einen Resonanzzustand, und es wird mit maximaler Leistung gesendet. Auch am Empfänger befinden sich die Funkwellen und die Antenne im Resonanzzustand, so dass die maximale Leistung empfangen werden kann. Die Antenne sollte so gerade wie möglich sein und nicht zu einem Kreis gebogen werden.

Die Geräte werden immer kompakter, und daher werden häufig Antennen mit ¼ (λ/4) der Wellenlänge verwendet. Das Konzept der Viertelwellenantennen entspricht demjenigen der Halbwellendipolantennen. Die Funktion der einen Seite wird jedoch an die Erdung übertragen und die Antennenlänge halbiert, so dass sich eine Viertelwellenantenne ergibt. Deshalb ist die Erdung sehr wichtig. Für die Peitschenantennen von Funkmodulen, Mobiltelefonen usw. wird dieser Mechanismus genutzt, wobei das Gehäuse die Funktion der Erde übernimmt.

Wave length λ λ/4 ground antenna

Antennenarten

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Zu den verschiedenen Arten von Antennen gehören Peitschenantennen, Dipolantennen, Yagi-Uda-Antennen, Parabolantennen, Ringantennen und andere.

Peitschen- oder Stabantennen Für Mobiltelefone und ähnliche Geräte verwendete Antennen. Ungerichtete Antennen, die in alle Richtungen gleich empfindlich sind.
Dipolantennen Werden für Amateurfunk usw. verwendet.
Yagi-Uda array Werden z. B. als Fernsehantenne verwendet. Sie haben eine starke Richtwirkung und müssen in Richtung des Senders ausgerichtet werden. Es handelt sich um Dipolantennen mit Richt- und Reflektorelementen zum Lenken und Reflektieren der Funkwelle.
Parabolantennen Werden für den Empfang von Satellitenübertragungen verwendet. Diese Antennen haben eine sehr starke Richtwirkung und erfordern eine feine Ausrichtung, können die Leistung der Funkwellen aber effizient nutzen.
Rahmenantennen Rahmenantennen erfassen die Änderungen im Magnetfeld der Funkwellen. Die Funkwellen breiten sich im rechten Winkel zum durch den Rahmen gebildeten Kreis aus.

Entsprechend wird die Empfangsantenne so platziert, dass sie senkrecht zum Magnetfeld der Funkwellen steht.
Dielektrische Antennen Antennen, bei denen dielektrische Keramik für hochfrequente Felder verwendet wird, können kompakt sein und eine hohe Leistung erreichen.

Richtcharakteristik von Antennen

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Es gibt Richtantennen und ungerichtete Antennen.
Antennen mit Richtwirkung werden in Fällen verwendet, in denen der Kommunikationspartner sich in gleich bleibender Richtung befindet. So können unerwünschte Funkwellenemissionen in die Umgebung vermieden werden, und es wird kein Rauschen aus anderen Richtungen aufgenommen. Da Übertragungen mit niedriger Leistung möglich sind, hat dies auch praktische Vorteile. In einer bestimmten Richtung ausgestrahlte Funkwellen werden als Richtstrahl bezeichnet.
Ungerichtete Antennen strahlen unerwünschte Funkwellen in die Umgebung aus und nehmen Rauschen aus allen Richtungen auf. Eine Datenübertragung ist jedoch unabhängig davon möglich, wo der Kommunikationspartner sich befindet, so dass sie für mobile Anwendungen geeignet sind. Zu den Richtantennen gehören Yagi-Uda-Antennen, Parabolantennen und Ähnliche. Zu den ungerichteten Antennen gehören Peitschenantennen (auch Stabantennen genannt) usw.
In den folgenden Diagrammen wird die Richtcharakteristik dargestellt. Auch wenn es hier nicht gezeigt wird, strahlen Funkwellen von Natur aus in drei Dimensionen, daher sollte die Richtcharakteristik auch von der Seite betrachtet werden. Die Richtdiagramme zeigen die relative Intensität der maximalen Feldstärke in jeder Richtung und geben damit auch die Richtcharakteristik des elektrischen Feldes an.

Directivity of typical antennas

Richtantennen und ungerichtete Antennen
Im abgebildeten Diagramm sieht man, dass bei der Peitschenantenne die Funkwellen in alle Richtungen gleichmäßig ausgestrahlt werden; es handelt sich also um eine ungerichtete Antenne. Bei der Yagi-Uda- und der Parabolantenne werden die Funkwellen in einer bestimmten Richtung ausgestrahlt, daher werden sie als Richtantennen (Richtstrahler) bezeichnet.

Hauptkeule, Nebenkeule und Rückkeule
Nimmt man die Yagi-Uda-Antenne als Beispiel, ist der größte Richtstrahl in der beabsichtigten Richtung die Hauptkeule, und die unerwünscht auftretende Ausstrahlung in eine andere Richtung wird als Nebenkeule bezeichnet. Eine Nebenkeule, die sich in entgegengesetzter Richtung der Hauptkeule befindet, wird Rückkeule genannt. 

Rückdämpfung
Im Richtdiagramm der Yagi-Uda-Antenne ist zu sehen, dass sich eine Haupt- und eine Rückkeule bilden. Das Verhältnis zwischen Haupt- und Rückkeule, die Rückdämpfung, wird berechnet, um den Richtfaktor der Antenne anzugeben, der in Dezibel (dB) angegeben wird. Je größer dieser Wert ist, desto besser ist die Leistung der Antenne.


Da im Richtdiagramm die Feldstärke angegeben ist, wird für die Berechnung 20 log verwendet.

Antennengewinn

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Bei der Auswahl einer Antenne sind Richtwirkung und Gewinn wichtige Faktoren. Außerdem kann der Gewinn, abhängig von der jeweiligen Spezifikation, in dBd, dB oder dBi angegeben sein; die Entscheidung für eine bestimmte Antenne fällt daher oft schwer.
Da die Antenne ganz aus Metall besteht und keine Schaltung für eine elektrische Verstärkung vorhanden ist, kann die Tatsache, dass von einem Gewinn die Rede ist, zudem etwas seltsam anmuten.

Antennen können Eingangsenergie in einer bestimmten Richtung konzentrieren, doch bestehen bei verschiedenen Antennen Unterschiede in der Art der Konzentration. Mit anderen Worten: Antennen, die die Eingangsleistung in andere Richtungen als zum Standort des Kommunikationspartners ausbreiten, und Antennen mit Richtwirkung, die diese Leistung effizient konzentrieren, haben eine unterschiedliche Reichweite. Dieser Unterschied ist der unterschiedliche Gewinn, und je höher der Gewinn, desto schärfer wird die Richtwirkung. Das bedeutet gleichzeitig, dass die Ausrichtung schwieriger wird.

Der Antennengewinn wird als „das Verhältnis der Empfangsleistung in der maximalen elektrischen Feldrichtung einer Testantenne und einer Referenzantenne bei gleicher Eingangsleistung“ ausgedrückt. Es gibt zwei Methoden für die Angabe des Antennengewinns; bei der einen wird eine isotrope Antenne als Referenz verwendet, bei der zweiten eine andere Art von Antenne (gewöhnlich eine Halbwellendipolantenne).

* Bei Verwendung einer isotropen Antenne als Referenz wird der Gewinn „absoluter Gewinn“ genannt und in der Einheit dBi angegeben. * Bei Verwendung eines idealen Halbwellendipols als Referenz wird der Gewinn „relativer Gewinn“ genannt und in der Einheit dBd angegeben.

Der relative Gewinn ist äquivalent zum Verhältnis von absolutem Gewinn der als Referenz verwendeten Antenne und absolutem Gewinn der getesteten Antenne. Da der absolute Gewinn des als Referenz verwendeten Halbwellendipols 2,14 dBi beträgt, wird der relative Gewinn Gr (in dBd) einer Antenne mit dem absoluten Gewinn Ga (in dBi) folgendermaßen ermittelt: Gr [dBd] = Ga [dBi] – 2,14 dB.

Das bedeutet, dass für das Verhältnis von dBd und dBi gilt: 0 dBd = 2,14 dBi.
Wenn in den technischen Daten einer Antenne 2,14 dBi angegeben ist, bedeutet dies, dass sie einem idealen Halbwellendipol äquivalent ist.

* Beim Antennengewinn bedeuten dBd und dB dasselbe, wobei dBd die formal korrekte Bezeichnung ist. * Isotrope Antennen sind theoretische, formelhafte, virtuelle Antennen, die Funkwellen in alle Richtungen mit gleicher Stärke ausstrahlen und eine kugelförmige Richtcharakteristik haben.


Impedanzanpassung

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Beim Anschließen einer Antenne an eine Hochfrequenz-Schaltungsquelle muss die Leistung effizient übertragen werden. Außerdem muss sichergestellt werden, dass keine Probleme durch die Reflexion der Funkwellen auftreten. Reflexion tritt auf, wenn die Impedanz der Signalquelle und die Impedanz der Antenne nicht übereinstimmen. Das Herstellen einer solchen Übereinstimmung wird als Impedanzanpassung bezeichnet. Mit Reflexion ist eine Situation gemeint, in der ein Teil des an die Antenne gesendeten Signals zur Signalquelle zurückkehrt; bei einer Kombination mit dem Signal kann es zu Störeffekten kommen.
Die Spezifikation einer Antenne enthält stets eine Angabe wie „Eingangsimpedanz: 50 Ohm“ oder Ähnliches, daher sollte die Impedanzanpassung passend zu diesem Wert in der Verbindungsschaltung implementiert werden. Außerdem muss die Impedanz des verwendeten Kabels angepasst sein. Die Impedanz des Kabels hängt von Induktivität und Kapazität des Kabels ab; die Impedanz der auf dem Markt erhältlichen Kabel wird stets angegeben. Die Impedanzanpassung kann nach mehreren Methoden durchgeführt werden. Da es sich jedoch um eine sehr komplexe Angelegenheit handelt, verweisen wir Sie auf die entsprechende Fachliteratur.

Horizontal und vertikal polarisierte Wellen

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Die von vertikal stehenden Antennen ausgestrahlten Funkwellen breiten sich im Verhältnis zum Boden in vertikaler Richtung aus und werden daher vertikale Wellen genannt. Analog dazu hat bei horizontal platzierten Antennen das elektrische Feld im Verhältnis zum Boden eine horizontale Ausrichtung, so dass diese Wellen als horizontale Wellen bezeichnet werden. Es werden auch zirkular polarisierte Wellen verwendet, z. B. für Satellitenübertragungen. Naturgemäß ist der Verlust beim Empfang sehr hoch, wenn die Polarisationsebenen der beiden Antennen nicht übereinstimmen. 

Horizontally polarized waves / Vertically polarized waves

Antennenmaterial

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Da Hochfrequenzstrom durch Antennen fließt, bestehen diese notwendigerweise aus Metall. Bevorzugt werden Metalle mit niedrigem spezifischen Widerstand als Material für Antennen verwendet. Während Silber und Gold aus Kostengründen nicht angemessen sind, ist Stahl korrosionsanfällig und schwer und daher für Antennen nicht geeignet. Gewöhnlich wird für Antennen Aluminium verwendet, da es einen niedrigen spezifischen Widerstand hat und kostengünstig ist. Es wird häufig für relativ große Antennen eingesetzt.
Bei kompakten Geräten wie Mobiltelefonen und Funkmodulen werden Antennen aus Formgedächtnislegierungen (z. B. Titan-Nickel-Legierungen), aus rostfreiem Stahl oder dielektrische Antennen verwendet. Einfache Antennen können sogar aus Klavierdraht bestehen.

So werden Antennen eingesetzt

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*Antennen sollten außen am Produkt angebracht werden, nach Möglichkeit oben.
*Die Antenne sollte so angebracht werden, dass sie so weit wie möglich vom menschlichen Körper entfernt ist. Es sollte beachtet werden, dass Funkwellen oberhalb von 750 MHz vom menschlichen Körper besonders gut absorbiert werden. Bei Geräten, die am menschlichen Körper getragen werden, sollte ein Abstand von mindesten 2 bis 3 cm eingeplant werden. *Das Gehäuse, in dem sich das Funkmodul befindet, sollte aus ABS-Plastik bestehen. Wenn ein Metallgehäuse verwendet wird, das Funkwellen abschwächt, sollte nur die Haupteinheit des Funkmoduls eingebaut werden; die Antenne sollte sich außen befinden. Außerdem sollten Sie sicherstellen, dass das Gehäuse des Moduls und das Metallgehäuse dasselbe elektrische Potential haben.
*Die Antenne sollte so gerade wie möglich sein und nicht zu einem Kreis gebogen werden.
*Sorgen Sie dafür, dass die Polarisationsebenen der Funkwellen bei beiden Antennen übereinstimmen.
*Wenn sich die Antenne außen befindet, müssen Sie ein Koaxialkabel benutzen und eine Impedanzanpassung durchführen.

Mobiltelefonantennen

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Wenn die Antenne eines Mobiltelefons ausgezogen wird, dient sie als Viertelwellen-Stabantenne; im eingeschobenen Zustand bildet die Wicklung in der Spitze eine Spiralantenne. Im Vergleich zur Stabantenne ist die Empfindlichkeit dieser Spiralantenne geringer, daher werden Mobiltelefone mit ausgezogener Antenne benutzt. Eine F-Typ-Antenne, die nur zum Empfangen verwendet wird, ist innen in das Telefon eingebaut, und die innere und die äußere Antenne nutzen die Raumdiversität für den Empfang, wobei interne Funktionen zur Leistungskontrolle usw. auf das Signal angewendet werden. Da es sich um eine Mobilanwendung handelt, ist die Richtcharakteristik ungerichtet.
Die Frequenz der Funkwellen von Mobiltelefonen beträgt (in Japan) ausgehend 800 MHz und eingehend 900 MHz. Bei Berechnung der Antennenlänge (außer Spiralantenne) mit der mittleren Frequenz von 850 MHz ist die Wellenlänge l mit 850 MHz:

Das ergibt eine Viertelwellenantenne von ca. 9 cm Länge.


* Einige Mobiltelefone nutzen das 800-MHz-Band, andere das 1500-MHz-Band. Die Antennen bei letzteren sind kürzer. Es gibt aber auch Mobiltelefone für das 800-MHz-Band mit kurzen Antennen.
* Es gibt auch Antennen, bei denen im ausgezogenen Zustand die obere Spiralantenne elektrisch angeschlossen bleibt, so dass sie zu Halbwellenantennen werden. 

So werden Mobiltelefone effizient genutzt
Aus den oben beschriebenen Gründen sollten Sie bei Beachtung der folgenden Empfehlungen zum Einsatz von Mobiltelefonen keine Probleme haben und eine Sprach- und Datenkommunikation in hoher Qualität erreichen.

*Ziehen Sie die Antenne ganz aus, wenn Sie das Telefon benutzen, und achten Sie darauf, dass sie nicht abgedeckt ist.
*Da sich die interne Antenne oben im Telefon befindet, sollten Sie das Telefon unten festhalten.
*Versuchen Sie, die Antenne so weit wie möglich vom Körper weg zu halten.
*Wenn das Signal offensichtlich schwach ist, können Sie eventuell eine Verbesserung erreichen, indem Sie sich umdrehen oder den Ort wechseln.
*Verwenden Sie eine Antenne in angemessener Länge. Manipulieren oder ersetzen Sie die Antenne nicht.
*Verwenden Sie keine Schlaufen oder anderes Zubehör aus Metall.
*Stellen Sie sicher, dass die Antenne vertikal ausgerichtet ist.
*Wir empfehlen keine Antennen mit Blinklicht. 

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