Antenne

Eine Antenne ist eine technische Anordnung zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen, oft zur drahtlosen Kommunikation. Als Sendeantenne wandelt sie leitungsgebundene elektromagnetische Wellen in Freiraumwellen um, oder umgekehrt als Empfangsantenne die als Freiraumwelle ankommenden elektromagnetischen Wellen zurück in leitungsgebundene elektromagnetische Wellen.

Es wird unterschieden zwischen elektrischen Antennen, z. B. eine elektrische Dipolantenne, die die elektrische Komponente zur Erzeugung und Empfang der elektromagnetischen Feldes nutzt, und Magnetantennen, z. B. einem magnetischen Schlitzdipol, primär die magnetische Komponente zum Empfang und bei manchen Typen auch zum Senden der elektromagnetischen Wellen verwendet wird. Im Fernfeld einer Antenne ist nicht zu unterscheiden, ob eine Antenne die elektrische oder magnetische Komponente zur Erzeugung der elektromagnetischen Felder nutzt.

Die Entfernung, ab wann sich bei einer Antenne mit einem Reflektor oder einem Antennen-Array das Fernfeld und damit das Antennendiagramm und der Antennengewinn ausbildet hat, hängt sowohl von der Wellenlänge λ [m] als auch von den physikalischen Abmessungen der Antenne, des Reflektors, sowie des gesamten Antennen-Arrays ab. Der notwendige Abstand bis sich eine kleine Empfangsantenne im Fernfeld der Sendeantenne befindet und umgekehrt, errechnet sich folgendermaßen:

${\displaystyle d_{\text{min}}\geq d_{\text{Farfield}}={\frac {2\cdot d_{\text{Breite}}^{2}}{\lambda }}}$

Dabei sind d_Breite [m] die maximale physische Abmessung der Antenne und λ [m] die Wellenlänge.

Bei, im Vergleich zur Wellenlänge physikalisch kleinen Antennen bildet sich das Fernfeld schon in kleinen Entfernungen aus. So beginnt das Fernfeld bei einem horizontal polarisierten λ/2-Dipol mit einer Breite von 1,3875 m und einer Wellenlänge von λ = 2,775 m (entspricht 108.100 MHz der tiefsten definierten ILS-LLZ Frequenz) schon ab 1,3875 m. Zum Beispiel beim Antennen-Array des Landekurssenders eines Instrumentenlandesystems (engl. Instrument Landing system Localizer, ILS-LLZ), das aus 12 Dipolantennen-Elementen vor einer ca. 27 m breiten Reflektorwand besteht (Typ: SEL 12+3 Antenne, ILS-4000) ist bei der gleichen Wellenlänge λ = 2,775 m schon ein Mindestabstand von d_farfield ≥ 526 m nötig, damit sich die Empfangsantenne eines Luftfahrzeuges im Fernfeld befindet. Bei noch breiteren ILS-LLZ-Antennen-Arrays, z. B. mit 20 Dipol-Antennen-Elementen vor einer 49 m breiten Reflektorwand (Typ SEL 20+5 Antenne, ILS-4000) ist der notwendige Mindestabstand schon auf d_farfield ≥1730 m angewachsen, und wächst bei einer weiteren Verbreiterung des ILS-LLZ-Antennen-Arrays auf 75 m mit 32 LPD-Antennen-Elementen (Normac 7000 Ultra-Wide ILS-LLZ-Antennen-Arrays) auf d_farfield ≥ 4054 m an.

Wesentlich für die Funktion einer Antenne ist die Transformation des Wellenwiderstandes der Leitung durch die Antennenanordnung in den Wellenwiderstand des Vakuums. Dabei entsteht wie zuvor beschrieben die elektromagnetische Freiraumwelle erst im Fernfeld. Anordnungen für Frequenzen unterhalb der Schumann-Resonanzen von etwa 16 Hz können aufgrund der großen Wellenlänge von ca. 18.750.000 m auf der Erde keine Freiraumwelle erzeugen.

Die Baugröße von einfachen Antennen liegt für den besten Wirkungsgrad in der Regel in der Größenordnung von ca. einem Viertel der Wellenlänge λ (griechisch: Lambda) bei vertikalen Monopol-Antennen auf einer ausreichend großen Reflektorfläche, und mindestens in der Größenordnung der halben Wellenlänge für symmetrische Antennen, z. B. Dipol-Antennen. Durch technische Maßnahmen, z. B. physikalisch sehr dicke Antennen, Endkapazitäten oder Induktivitäten, können auf Kosten des Wirkungsgrads der Antenne die mechanischen Abmessungen innerhalb gewisser Grenzen stark verringert werden. Davon wird vor allem bei sehr niedrigen Frequenzen Gebrauch gemacht, wenn aufgrund der zunehmend größer werdenden Wellenlängen die notwendigen Abmessungen, wenn überhaupt, nicht realisierbar sind. So würde z. B. für einen VLF-Sender (englisch very low frequency, dt. Längstwellensender) Grimeton auf 17,2 kHz bei 1/2 λ eine Länge von 8721 m benötigt, während die eigentliche Sendeantenne der Anlage jedoch nur 2200 m lang ist. Im 1,5 THz-Frequenzbereich (entspricht 1.500 GHz bzw. 1.500.000 MHz) entspricht 1/2 λ einer Länge von lediglich 1 mm.

Sofern von einer Antenne ein höherer Antennengewinn, eine hohe Richtwirkung oder ein bestimmtes Strahlungsdiagramm benötigt wird, und es können diese Eigenschaften nicht mit einfachen Monopol- oder Dipol-Antenne Strahler erzeugt werden, dann müssen mehrere Richt-Antennen, z. B. Yagi oder Logarithmisch-Periodische-Dipolantenne (LPD) zu einer Phased-Array-Antenne (dt. Gruppenantenne) zusammengeschaltet werden. Alternativ können ggf. die gewünschten Eigenschaften der Antenne durch Reflektoren, z. B. winkel- oder parabolförmige Reflektoren, realisiert werden. Mit zunehmendem Antennengewinn und der damit verbundenen stärkeren Bündelung der Strahlung wird das horizontale und vertikale Strahlungsdiagramm der Hauptkeule schmäler. Jedoch nimmt dabei auch die Stärke der Nebenkeulen des Antennendiagramms zu. Je nach Antennentyp werden dann die mechanischen Abmessungen der Antenne, d. h. Breite, Höhe und/oder Tiefe größer.

1. ↑ THz Forschung – Experimentelle Halbleiterphysik. Philipps-Universität Marburg, abgerufen am 23. August 2016. 
2. ↑ mpg.de 1,5-THz-Astronomie.