Antenne

Die Antenne ist das Bauteil, an dem sich entscheidet, ob eine Funkverbindung zustande kommt. Sie wandelt die Hochfrequenzenergie, die über eine Leitung ankommt, in eine elektromagnetische Welle um - und beim Empfang wieder zurück. Alles davor, vom Sender bis zum Stecker, ist Vorbereitung.

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Was ist eine Antenne?

Kurz gesagt: Eine Antenne ist der Teil einer Sende- oder Empfangsanlage, der leitungsgebundene Hochfrequenzenergie in eine frei laufende elektromagnetische Welle überführt - und umgekehrt. Sie ist die Übergangsstelle zwischen dem Kabel und dem Raum. Der DARC-Lehrgang formuliert es so: Die Antenne strahlt elektrische Signale als elektromagnetisches Feld ab beziehungsweise fängt ein solches Feld auf und formt es in elektrische Signale zurück.

Wie funktioniert eine Antenne?

Der Ablauf beim Senden in vier Schritten:

1. Der Sender erzeugt ein hochfrequentes Wechselstromsignal.
2. Über die Speiseleitung gelangt es zum Speisepunkt der Antenne.
3. Die zeitlich veränderlichen Ströme und Ladungsverteilungen im Leiter erzeugen elektromagnetische Felder.
4. Im Fernfeld bildet ein Teil dieser Felder eine Welle, die sich vom Antennensystem weg ausbreitet.

Beim Empfang läuft derselbe Vorgang umgekehrt: Die ankommende Welle versetzt die Ladungsträger im Leiter in Bewegung, daraus entsteht ein Signal für den Empfänger.

Nahfeld und Fernfeld

In unmittelbarer Umgebung der Antenne, dem Nahfeld, sind Strahlungs-, Induktions- und Coulombfeld noch gemischt; hier pendelt Blindleistung zwischen Antenne und Umgebung. Erst im Fernfeld verhält sich das Ganze wie eine saubere, sich ausbreitende Welle mit festem Verhältnis von elektrischer zu magnetischer Feldstärke - dem Wellenwiderstand des freien Raums von rund 377 Ohm.

Diese Unterscheidung ist nicht akademisch. Sie entscheidet, ab welcher Entfernung eine Antennenmessung überhaupt aussagekräftig ist, und sie steckt in der Berechnung von Sicherheitsabständen.

Kann dieselbe Antenne senden und empfangen?

Ja. Passive, lineare Antennen sind reziprok: Richtdiagramm, Gewinn und Impedanz sind in beiden Betriebsarten gleich. "Sendeantenne" und "Empfangsantenne" sind deshalb keine grundsätzlich verschiedenen Bauteilarten.

Zwei Einschränkungen gehören dazu:

• Belastbarkeit: Eine für den Empfang gebaute Antenne verträgt nicht automatisch Sendeleistung. Dünne Leiter, kleine Kondensatoren oder Anpassbauteile setzen hier die Grenze.
• Aktive Bauteile: Viele im Amateurfunk als Aktivantennen bezeichnete Produkte sind Empfangsantennen mit eingebautem Vorverstärker. Für sie lässt sich die Reziprozität des passiven Strahlers nicht ohne Weiteres auf das komplette Antennensystem übertragen.

Warum hängt die Antennenlänge von der Frequenz ab?

Weil eine Antenne im Verhältnis zur Wellenlänge bemessen wird, nicht in absoluten Metern. Die Wellenlänge folgt aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Frequenz:

$\displaystyle \lambda = \frac{c}{f}$

Für die Praxis genügt die Näherung mit der Lichtgeschwindigkeit als runde Zahl:

$\displaystyle \lambda \text{ in m} \approx \frac{300}{f \text{ in MHz}}$

Bei 14 MHz sind das rund 21,4 m. Ein Halbwellendipol wäre damit theoretisch etwa 10,7 m lang.

In der Praxis fällt er etwas kürzer aus. Ursache sind die Endkapazitäten des Leiters und dessen Dicke, ausgedrückt über den Verkürzungsfaktor k. Der DARC-Lehrgang nennt für Drahtantennen einen Bereich von k = 0,93 bis 0,97, die Antenne wird also etwa drei bis sieben Prozent kürzer.

Resonanz, Impedanz und SWR

Diese drei Begriffe werden ständig durcheinandergebracht. Sie beschreiben Verschiedenes.

Resonanz ist nicht dasselbe wie Anpassung

Resonanz heißt: Der Blindanteil der Speisepunktimpedanz verschwindet, es bleibt ein reiner Wirkwiderstand. Mehr nicht. Wie groß dieser Wirkwiderstand ist, sagt die Resonanz nicht.

Ein sehr dünner Dipol mit exakt einer halben Wellenlänge Länge hat im Freiraum zusätzlich einen induktiven Blindanteil. Wird er auf Resonanz verkürzt, liegt sein reeller Fußpunktwiderstand größenordnungsmäßig bei 70 bis 73 Ohm - nicht bei 50 Ohm.

Die Aufbauhöhe wirkt dabei kräftiger, als viele erwarten: Über realem Grund schwankt der Speisepunktwiderstand eines Dipols durch die Überlagerung mit der Bodenreflexion oszillierend um den Freiraumwert und pendelt sich erst bei etwa einer Wellenlänge Höhe darauf ein.

Was das SWR sagt - und was nicht

Das Stehwellenverhältnis beschreibt das Verhältnis von hinlaufender und reflektierter Welle und damit die Güte der Anpassung am Messpunkt. Aus dem Reflexionsfaktor $\displaystyle r = \frac{SWR - 1}{SWR + 1}$ ergibt sich, welcher Leistungsanteil zurückläuft:

Bandbreite

Im Amateurfunk ist mit Bandbreite meist die Impedanzbandbreite gemeint: der Frequenzbereich, in dem das SWR einen gewählten Grenzwert nicht überschreitet. Üblich sind 2 oder 1,5 als Grenze, eine verbindliche Festlegung gibt es nicht. Je nach Anwendung können aber auch Gewinn, Richtdiagramm oder Polarisation die nutzbare Bandbreite begrenzen.

Physikalisch steckt dahinter die Güte: Ein hoher Gütefaktor bedeutet schmale Bandbreite. Deshalb sind stark verkürzte Antennen und Magnetic Loops schmalbandig, während dicke Strahler und Käfigdipole breitbandiger werden. Bei einem Magnetic Loop kann die nutzbare Sendebandbreite auf wenige Kilohertz zusammenschrumpfen.

Wirkungsgrad und Antennengewinn

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgestrahlter zu zugeführter Leistung. Rechnerisch: der Strahlungswiderstand geteilt durch die Summe aus Strahlungs- und Verlustwiderstand. Verluste entstehen im Leiter selbst, in Verlängerungsspulen verkürzter Antennen, in Anpassbauteilen und - bei Vertikalantennen besonders - im Erdreich unter der Antenne.

Das erklärt, warum stark verkürzte Antennen so viel Leistung einbüßen: Ihr Strahlungswiderstand sinkt mit der Verkürzung deutlich, während die Verluste bleiben oder sogar steigen. Bei elektrisch sehr kleinen Schleifen kann der Strahlungswiderstand je nach Abmessungen und Frequenz bis in den Milliohm-Bereich fallen.

Antennengewinn

Der Gewinn ist der Richtfaktor multipliziert mit dem Wirkungsgrad. Angegeben wird er auf zwei verschiedene Bezugsantennen:

Richtdiagramm und Polarisation

Richtdiagramm

Das Richtdiagramm zeigt, wie sich die abgestrahlte Leistung über die Raumrichtungen verteilt. Die wichtigsten Begriffe:

• Hauptkeule: die Richtung mit dem Maximum
• Nebenkeulen: lokale Maxima außerhalb der Hauptrichtung, die sich aus Stromverteilung und Geometrie der Antenne ergeben. Was dort abgestrahlt wird, fehlt in der Hauptrichtung
• Nullstellen: Richtungen, in denen praktisch nichts abgestrahlt wird
• Öffnungswinkel (Halbwertsbreite): der Winkelbereich, in dem noch mindestens die halbe Leistung ankommt, begrenzt durch die -3-dB-Punkte
• Vor-Rück-Verhältnis: Pegel der Hauptkeule im Verhältnis zum Pegel nach hinten

Ein Halbwellendipol zeigt in der Ebene, die den Draht enthält, die bekannte Achtercharakteristik mit einem Öffnungswinkel von rund 78 Grad. Senkrecht zum Draht strahlt er dagegen rund.

Polarisation

Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes: horizontal, vertikal oder zirkular. Sie folgt der Ausrichtung des Strahlers - ein waagerecht gespannter Dipol strahlt horizontal polarisiert.

• Fehlende Übereinstimmung kostet: Bei direkten UKW-Verbindungen kann eine starke Fehlanpassung der Polarisation erhebliche Verluste verursachen. Bei ideal orthogonaler linearer Polarisation wäre die Entkopplung theoretisch vollständig; dass in der Praxis überhaupt etwas ankommt, liegt an Reflexionen und Mehrwegeausbreitung.
• Linear gegen zirkular: Zwischen ideal linear und ideal zirkular polarisierten Wellen beträgt der Polarisationsverlust 3 dB.
• Auf Kurzwelle ist sie schwerer zu fassen: Bei ionosphärischen Verbindungen ist die am Empfangsort ankommende Polarisation nicht stabil vorhersehbar, weil magnetoionische Effekte in der Ionosphäre - vor allem die Faraday-Rotation - und Mehrwegeausbreitung sie verändern können. Deshalb ist sie dort meist weniger entscheidend als auf UKW. Bei Bodenwelle, lokalen Verbindungen und der Unterdrückung bestimmter Störquellen kann sie trotzdem eine Rolle spielen.

Aus diesem Grund arbeiten UKW-Relais und Mobilbetrieb überwiegend vertikal, während auf Kurzwelle und im UKW-SSB-Betrieb horizontal verbreitet ist.

Diese Kennwerte sind zugleich Prüfungsstoff: Gewinn in dBi und dBd, Radials, Strahlungsdiagramme und Polarisation stehen in allen drei Klassen im Fragenkatalog. Fünf Originalfragen zum Ausprobieren:

Prüfungsfragen zu Antennen

Fünf Prüfungsfragen zu Antennenkennwerten

Fragetext, Abbildungen und Antworten stammen aus dem offiziellen BNetzA-Fragenkatalog. Die Reihenfolge der Antworten wird bei jedem Aufruf neu gemischt und weicht deshalb vom Katalog ab. Nichts wird gespeichert, du kannst beliebig oft probieren.

NG106 Die elektrischen Gegengewichte einer Groundplane-Antenne bezeichnet man auch als ...

• Radials.
• Reflektoren.
• Direktoren.
• Erdelemente.

EG221 Ein Antennenhersteller gibt den Gewinn einer Antenne mit 5 dBd an. Wie groß ist der Gewinn der Antenne in dBi?

• 7,15 dBi
• 5 dBi
• 2,5 dBi
• 2,85 dBi

EG215 Für welche Antenne ist dieses Strahlungsdiagramm typisch?

• Halbwellendipol
• Yagi-Uda-Antenne
• Groundplane
• Kugelstrahler

EG218 Für welche Antenne ist dieses Strahlungsdiagramm typisch?

• Yagi-Uda
• Groundplane
• Dipol
• Kugelstrahler

EB310 Die Polarisation des Sendesignals in der Hauptstrahlrichtung dieser Richtantenne ist ...

• vertikal.
• horizontal.
• rechtsdrehend.
• linksdrehend.

Diese Fragen stammen aus dem offiziellen Fragenkatalog der Bundesnetzagentur. Im Lernbereich übst du sie mit Fortschrittsspeicherung und persönlicher Auswertung.

Anpassung oder Wirkungsgrad? Der wichtigste Unterschied

Es gibt sogar einen Fall, in dem ein gutes SWR ein Warnsignal ist: Nimmt die Kabeldämpfung zu, etwa weil Feuchtigkeit ins Koaxkabel gezogen ist, wird auch die reflektierte Welle auf dem Rückweg gedämpft. Am Sender gemessen sieht das SWR dann besser aus als vorher - obwohl die Anlage schlechter geworden ist.

Welche Antennentypen gibt es?

Die folgende Übersicht ordnet ein, mehr nicht. Zu den wichtigsten Bauformen gibt es eigene Artikel mit Details und Bauhinweisen.

Dipol

Zwei Schenkel von je etwa einer Viertelwellenlänge, in der Mitte gespeist. Symmetrische Antenne, horizontal polarisiert bei waagerechter Aufhängung, Achtercharakteristik. Der Klassiker und für die meisten Einsteiger die richtige erste Antenne. Beim Inverted V hängen die Enden herunter, sodass ein einzelner Mast genügt; das horizontale Richtdiagramm wird dadurch meist gleichmäßiger, wie stark, hängt von Spreizwinkel, Höhe und Umgebung ab.

Vertikalantenne und Groundplane

Ein senkrechter Strahler, meist eine Viertelwellenlänge lang, mit Radials als Gegengewicht. Vertikal polarisiert, rundstrahlend in der Horizontalebene, mit flachem Abstrahlwinkel und deshalb für DX interessant. Der Wirkungsgrad steht und fällt mit dem Gegengewicht: Bodennahe Vertikalantennen profitieren stark von vielen Radials, erhöhte Groundplanes kommen mit deutlich weniger aus.

Endgespeiste Antenne

Hier liegt der Speisepunkt am Drahtende, wo die Impedanz sehr hoch ist. Zwei Dinge werden dabei oft in einen Topf geworfen:

• EFHW (endgespeiste Halbwelle): elektrisch etwa eine halbe Wellenlänge lang, mechanisch wegen Endeffekten, Leiterdurchmesser und Isolation meist etwas kürzer. Speisepunktimpedanz in der Größenordnung von einigen tausend Ohm, angepasst über einen Übertrager mit festem Verhältnis (verbreitet 1:49 oder 1:64).
• Langdraht: ein Draht, dessen Länge nicht an eine bestimmte Resonanz gebunden ist und der über ein Anpassgerät auf mehreren Bändern betrieben wird.

Beide brauchen einen definierten Rückweg für den Antennenstrom. Wird das ignoriert, übernimmt der Kabelmantel diese Aufgabe - mit allen Folgen, die weiter unten unter Mantelwellen stehen.

Yagi-Uda

Die klassische Richtantenne: ein gespeistes Element, dahinter ein etwas längerer Reflektor, davor ein oder mehrere etwas kürzere Direktoren. Der Gewinn einer dreielementigen Ausführung liegt je nach Design grob zwischen fünf und acht dBd - die Angaben der Fachquellen gehen auseinander, was zeigt, wie stark das Ergebnis von der konkreten Auslegung abhängt. Mehr Elemente auf gleicher Boomlänge bringen ab einem bestimmten Punkt keinen Gewinn mehr, sondern verändern nur noch Bandbreite, Fußpunktwiderstand und Rückdämpfung.

Schleifenantennen

Bei einem Umfang von etwa einer Wellenlänge entstehen Delta Loop, Quad und Vollwellenschleife. Sie können je nach Form und Aufbau einen moderaten Richtgewinn gegenüber einem Dipol erreichen; eine allgemeine Gewinnangabe ist ohne Geometrie, Aufbauhöhe und Bezugsrichtung nicht sinnvoll.

Davon strikt zu trennen ist die Magnetic Loop: eine elektrisch sehr kleine Schleife mit Abstimmkondensator. Sie ist extrem schmalbandig, kann insbesondere bei starker elektrischer Verkürzung einen niedrigen Wirkungsgrad haben und erzeugt am Kondensator Spannungen im Kilovoltbereich. Für beengte Standorte trotzdem eine ernsthafte Option.

Logarithmisch-periodische Antenne

Mehrere gestaffelte Dipole an einer gekreuzten Speiseleitung, mit zur Strahlungsrichtung hin abnehmender Länge. Damit deckt sie einen sehr großen Frequenzbereich mit Richtwirkung ab - erkauft mit weniger Gewinn als eine auf ein Band optimierte Yagi gleicher Größe.

Parabolantenne

Für den Mikrowellenbereich, mit sehr hoher Bündelung. Der Gewinn steigt mit dem Quadrat des Verhältnisses von Durchmesser zu Wellenlänge, wächst also sowohl mit dem Quadrat des Durchmessers als auch mit dem Quadrat der Frequenz. Der praktisch erreichbare Wert liegt wegen Ausleuchtungs-, Überstrahlungs- und Oberflächenverlusten unter dem theoretischen; typische Apertureffizienzen liegen grob im Bereich von 50 bis 70 Prozent.

Rundstrahler oder Richtantenne?

Symmetrisch, unsymmetrisch und die Sache mit den Mantelwellen

Ein Dipol ist eine symmetrische Struktur, ein Koaxkabel eine unsymmetrische Leitung. Verbindet man beides ohne Weiteres, fließt auf der Außenseite des Kabelmantels ein Gleichtaktstrom: die Mantelwelle. Ein Teil der Leistung strahlt dann vom Kabel ab statt von der Antenne, es kommt zu Störungen an Nachbargeräten, zu Hochfrequenz im Shack und zu verfälschten Messungen.

Die Begriffe überschneiden sich also funktional - was zählt, ist die Aufgabe im konkreten Aufbau. Welches Bauteil an welche Antenne gehört und wo es sitzen sollte, steht im Artikel Antennenbau.

Speisung und Anpassung in Kürze

Zwei Welten stehen zur Wahl: Koaxialkabel oder symmetrische Leitung.

Offene symmetrische Leitungen haben konstruktionsbedingt häufig eine deutlich geringere Grunddämpfung als typische Koaxialkabel und arbeiten deshalb auch bei hohem SWR vergleichsweise verlustarm. Wie hoch die Verluste tatsächlich ausfallen, hängt von Leitungstyp, Länge, Frequenz und Fehlanpassung ab. Genau darauf beruhen Multiband-Drahtantennen mit symmetrischer Speisung und Anpassgerät.

Ein Antennentuner stimmt dabei nicht die Antenne ab. Er transformiert die Impedanz, die am Ende der Speiseleitung anliegt, auf 50 Ohm, damit der Sender eine passende Last sieht.

Welche Antenne passt zu welchem Einsatz?

Pauschale Empfehlungen bringen wenig, weil zu viel vom Einzelfall abhängt. Diese fünf Fragen führen aber zuverlässig zu einer Antwort:

Ein Punkt zieht sich durch alle fünf: Der Montageort wirkt meist stärker als die Bauform. Auf Kurzwelle bestimmt die Aufbauhöhe - sinnvollerweise in Wellenlängen gerechnet, nicht in Metern - den Abstrahlwinkel und damit, ob eine Antenne eher den Nahbereich oder den Weitverkehr bedient. Auf UKW und darüber entscheiden freie Sicht und kurze Kabelwege. Eine schlichte Antenne an der richtigen Stelle schlägt eine aufwendige an der falschen.

Kann man eine Antenne selbst bauen?

Ja, und für Drahtantennen ist das sogar der Normalfall. Ein Halbwellendipol besteht aus zwei Stücken Draht, zwei Isolatoren und einer Mantelwellensperre - Material für unter dreißig Euro, und das Ergebnis ist bei gleicher Aufbauhöhe nicht schlechter als eine gekaufte Antenne.

Materialwahl, Speisung, Messgeräte, Abgleichreihenfolge, Radials, Simulation und die häufigen Fehlerbilder stehen ausführlich im eigenen Artikel:

Recht und Sicherheit in Kürze

Drei Punkte gehören vor den ersten Handgriff, ausführlich behandelt sie der Antennenbau-Artikel.

• Anzeige nach BEMFV: Wer in Deutschland eine ortsfeste Amateurfunkanlage mit einer Strahlungsleistung von 10 Watt EIRP oder mehr betreibt, muss sie nach § 9 BEMFV vor Inbetriebnahme der Bundesnetzagentur anzeigen und den Sicherheitsabstand ermitteln. Befinden sich am Standort bereits ortsfeste Funkanlagen, die dem Standortbescheinigungsverfahren nach § 4 BEMFV unterliegen, kann stattdessen eine Standortbescheinigung nach § 8 BEMFV erforderlich sein. Maßgeblich ist die Strahlungsleistung einschließlich Antennengewinn - siehe ERP und EIRP und EMVU.
• Erdung und Blitzschutz: Bei Außenantennen müssen Erdung, Potentialausgleich und gegebenenfalls Blitzschutz passend zu Gebäude und Montageart geplant werden. Weil eine falsche Ausführung Personen- und Brandschutz beeinträchtigen kann, gehören Planung und Arbeiten an Blitzschutzanlagen in die Hand entsprechend qualifizierter Fachkräfte.
• Mechanik und Umfeld: Abstand zu Freileitungen, Windlast, Standsicherheit des Mastes und Absturzsicherung. Ob ein Mast baugenehmigungspflichtig ist, regeln die Landesbauordnungen und damit jedes Bundesland eigenständig; zur Miete kommt hinzu, dass eine Funkantenne je nach Montageart, Eingriff in die Bausubstanz und optischer Wirkung über den vertragsgemäßen Gebrauch hinausgehen und damit zustimmungspflichtig sein kann - eine Frage des Einzelfalls und des Mietvertrags.

Typische Irrtümer