Warum strahlt eine Antenne?

Was im Draht passiert

Als Beispiel dient in dieser Lektion ein Halbwellendipol für das 20-m-Band: ein waagerecht gespannter Draht, rechnerisch eine halbe Wellenlänge lang, in der Mitte aufgetrennt und dort an das Koax angeschlossen. Diese Stelle heißt Speisepunkt. Gerechnet wird mit 14,2 MHz, einer Frequenz in diesem Band.

Dein Funkgerät schickt über das Koax einen hochfrequenten Wechselstrom in den Dipol. Bei 14,2 MHz schwingt er 14,2 Millionen Mal pro Sekunde hin und her und wechselt dabei 28,4 Millionen Mal die Richtung.

Auf einem Halbwellendipol ist der Strom nicht überall gleich groß. Am Speisepunkt in der Mitte ist er am größten, zu den Enden hin fällt er ab und ist an den Drahtenden null. Wo der Strom zu den Enden hin kleiner wird, bleibt Ladung zurück, am meisten an den Drahtenden. Eine halbe Periode später hat der Strom seine Richtung umgekehrt, und die Ladung fließt zurück.

Die 10,6 m in der Zeichnung sind die rechnerische halbe Wellenlänge. Ein auf Resonanz abgeglichener Dipol ist etwas kürzer, warum, zeigt Lektion 3.

Die Elektronen kommen dabei kaum voran. Bei 20 A Gleichstrom in einem 2 mm dicken Kupferdraht driften sie nur etwa 0,5 mm pro Sekunde^[2]. Bei Hochfrequenz pendeln sie bloß hin und her. Was sich schnell ausbreitet, sind die Felder.

Zwei Anteile der Felder

Der Strom umgibt den Draht mit einem Magnetfeld, die Ladungen, die sich vor allem zu den Enden hin sammeln, erzeugen ein elektrisches Feld. Beide ändern sich im Takt der Hochfrequenz.

Ein Teil dieser Felder bleibt bei der Antenne. Er baut sich in jeder Periode auf und gibt seine Energie wieder an den Draht zurück. Dieser reaktive Anteil des Nahfelds trägt im Mittel keine Leistung fort, er bildet Blindleistung.

Ein anderer Anteil der Felder breitet sich als elektromagnetische Welle von der Antenne weg aus. Elektrisches und magnetisches Feld schwingen darin gleichphasig, erreichen also gleichzeitig ihr Maximum. Sie stehen quer zur Ausbreitungsrichtung und haben ein festes Verhältnis zueinander, den Feldwellenwiderstand. Bei einer frei stehenden Antenne ohne andere Leiter in der Nähe transportiert nur dieses Strahlungsfeld im Mittel Leistung weg.

Eine Feder, die du spannst und langsam wieder nachgeben lässt, speichert deine Arbeit und gibt sie dir zurück^[8]. So verhält sich der reaktive Anteil, solange kein anderer Leiter in der Nähe Energie abnimmt. Eine Welle, die du über ein langes Seil schickst, trägt dagegen Energie von deiner Hand fort^[9], wie das Strahlungsfeld. Anders als die Seilwelle braucht die Funkwelle dafür kein Medium.

Wie weit das Nahfeld reicht

Die beiden Anteile werden mit dem Abstand $r$ unterschiedlich schnell schwächer. Am einfachsten rechnet sich das für einen kurzen Dipol, einen Draht, der viel kürzer ist als die Wellenlänge. Für den Halbwellendipol aus dem Beispiel stimmt das Ergebnis nur der Größenordnung nach. Beim kurzen Dipol fällt die Feldstärke des Strahlungsfelds mit $1/r$, die der Nahfeldanteile mit $1/r^2$ und $1/r^3$. Mit wachsendem Abstand überwiegt deshalb das Strahlungsfeld, in großer Entfernung kommt praktisch nur noch das Strahlungsfeld an.

Strom und Spannung auf dem Dipol

Am offenen Drahtende kann der Strom nicht weiterfließen, dort ist er null. Die Welle, die von der Mitte zu den Enden läuft, wird dort zurückgeworfen, und hin- und rücklaufende Welle bilden zusammen eine stehende Welle. Dasselbe zeigt ein gespanntes Seil, das am anderen Ende festgebunden ist und das du gleichmäßig auf und ab bewegst: Hin- und rücklaufende Welle überlagern sich so, dass manche Stellen ruhig sind und andere stark schwingen, obwohl beide Wellen weiterlaufen^[10].

Am Seil siehst du eine Größe, die Auslenkung. Auf dem Dipol gibt es zwei, Strom und Spannung, und ihre Knoten liegen an verschiedenen Stellen. Beim Halbwellendipol aus dem Beispiel liegt das Strommaximum am Speisepunkt, je eine Viertelwellenlänge von beiden Enden entfernt. Die Spannung gegen die Umgebung ist dort am kleinsten, wo der Strom am größten ist: in der Mitte klein, an den Enden am größten.

Deshalb wird der Halbwellendipol meist in der Mitte gespeist. Dort ist die Impedanz, das Verhältnis der Spannung zwischen den beiden Anschlüssen zum Strom, niedrig und mit Koax gut zu handhaben. Was die Impedanz genau beschreibt, zeigt Lektion 3.