Alles, was Sie über Antennen wissen müssen

Ein grundlegendes Verständnis von Antennentechnik kann Ihnen letztlich helfen, die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit drahtloser Verbindungen zu verbessern. In diesem Artikel werden verschiedene Grundlagen der Antennentechnik genauer erklärt.

Eine Antenne ist im Grunde ein elektrischer Leiter, der elektromagnetische Wellen an die Luft überträgt, sobald eine elektrische Spannung angelegt wird. Ebenso kann eine Antenne einfallende elektromagnetische Wellen empfangen, die wiederum eine Spannung in der Antenne erzeugen.

Antennen strahlen ihre Energie jedoch nicht gleichmäßig in alle Richtungen ab; vielmehr sind sie mehr oder weniger an eine bestimmte Richtung gebunden. Diese Richtungsabhängigkeit hängt von dem Design und der Größe der Antenne sowie von der Umgebung und einigen weiteren Faktoren ab. Auf den Datenblättern einer Antenne sind in aller Regel verschiedene Diagramme abgebildet, um diese Richtungsabhängigkeit grafisch darzustellen. Ein Beispiel hierfür ist das unten abgebildete Strahlungsdiagramm einer Antenova-GPS-Antenne zur Oberflächenmontage auf einem Chip. Für die meisten Anwendungen ist eine Antenne, die möglichst gut in alle Richtungen abstrahlt, die beste Option.

Der sogenannte Antennengewinn gibt dabei Aufschluss über die Richtwirkung einer Antenne, oder anders ausgedrückt: Er dient als Maß eines Signals, das in eine bestimmte Richtung versandt wurde, im Vergleich zu einem Signal zweier standardisierter Antennenarten – entweder einer simplen Dipol-Antenne oder einer isotropen Antenne (eine theoretische Konstruktion, die Signale gleichmäßig in alle Richtungen versendet). Angegeben wird der Antennengewinn in der Regel in Dezibel – entweder als Dezibel über einem Dipol (dBd) oder als Dezibel über einer isotropen Antenne (dBi). Bei dem Vergleich unterschiedlicher Antennen ist zu berücksichtigen, dass der Antennengewinn als dBi um 2,1 dB über der dBd-Einheit liegt, da der Gewinn einer Dipol-Antenne gegenüber einer isotropen Antenne schlichtweg 2,1 dBi beträgt. Antennen mit einem besonders hohen Antennengewinn geben bei derselben Leistung ein größeres Signal ab als Antennen mit einem geringeren Gewinn – jedoch lediglich in diese eine bestimmte Richtung. Anders ausgedrückt, sind Antennen mit hohem Gewinn stark richtungsabhängig. Nicht zuletzt deshalb sollten Sie bei der Auswahl Ihrer Antenne die Anforderungen Ihrer Anwendung sorgfältig berücksichtigen.

Antennengewinn in alle Richtungen für die Antenova A10137 Chip-GPS-Antenne, wenn diese gemäß des Referenzdesigns des Herstellers montiert ist.

 

Antennenarten

Eine der wohl grundlegendsten Arten von Antennen ist die sogenannte Monopolantenne: Hierbei handelt es sich um einen geraden, stabförmigen Leiter, der senkrecht zu einer Grundplatte montiert wird (diese Platte kann die Erdung eines Funktransmitters, das Dach eines Autos für eine FM-Radioantenne, oder die Grundplatte einer Leiterplatte sein). Die Speisung der Antenne (sprich: die Verbindung zu dem Rest des Systems) liegt am unteren Ende der Antenne, zwischen der Antenne selbst und der Grundplatte. Die andere Hälfte der Speisung ist dabei direkt mit der Erdung verbunden. Eine Monopolantenne sendet gleichmäßig in alle Richtungen senkrecht zu der Antenne, ist jedoch stark richtungsabhängig in der Z-Achse, wobei keinerlei Signale entlang der Antennenachse übertragen werden. Das Gesamtmuster wird von der Grundebene abgeleitet.

Mit zu den am häufigsten genutzten HF-Antennen zählt die sogenannte Dipol-Antenne. Antennen dieser Art verfügt über zwei symmetrische Anschlüsse (Pole), in deren Mitte die Speisung angebracht ist – dabei wird je eine Hälfte der Speisung mit einem der Anschlüsse verknüpft. Das Strahlungsmuster einer grundlegenden Dipol-Antenne ist aufgebaut wie ein Ring oder ein Doughnut: Ähnlich wie bei Monopolantennen werden auch hier keinerlei Signale entlang der Antennenachse versandt, doch da Dipol-Antennen ohne Grundebene auskommen, ist die Form in Z-Richtung deutlich symmetrischer.

Die Betriebsfrequenz und der Widerstand von Monopol- und Dipol-Antennen hängen von der Länge der Leiter ab. Die wohl geläufigste Größe von Monopolantennen ist die sogenannte Viertelwelle: Dabei entspricht die Länge der Antenne einem Viertel der Wellenlänge des Signals in dem Leiter – nicht im freien Raum. Dipol-Antennen werden in der Regel als Halbwellen realisiert, sodass jeder Anschluss einer Viertelwelle entspricht. Auf diese Weise wird die Resonanz mit der gewünschten Signalfrequenz erzeugt, damit stehende Wellen zwischen den beiden Enden der Antenne verlaufen können.

Monopol- und Dipol-Antennen sind in einer Vielzahl verschiedenster Ausführungen erhältlich, die allesamt den Gewinn, die Größe und die Bandbreite (d. h. der Frequenzbereich, den die Antenne unterstützt) der Antenne gegeneinander abwägen und mitunter komplexere Strahlungsmuster erzeugen können.

Neben dem Gewinn und der Richtungsabhängigkeit zählen auch die Effizienz und das Stehwellenverhältnis zu den elektrischen Eigenschaften, die zu berücksichtigen sind.

Die Effizienz beschreibt dabei, inwiefern die Antenne die elektrische Energie, die sie erhält, in Strahlungsleistung umwandelt (die Effizienz der oben erwähnten GPS-Antenne von Antenova liegt in dem Setup, das der Hersteller beschreibt, bei etwa 70 %).

Das sogenannte Stehwellenverhältnis gibt hingegen an, inwiefern der Widerstand der Antenne auf den Widerstand der Komponente abgestimmt ist, an die sie angeschlossen ist. Die meisten Antennen verfügen standardmäßig über einen Widerstand von 50 Ohm, um damit dem Widerstand einer Standard-Übertragungsleitung gleich zu kommen. Manch andere Antennen verfügen zudem über spezielle Schaltungen zur Angleichung des Widerstands. Ein Stehwellenverhältnis von 1,0 ist ideal; jedoch gilt, je kleiner das Verhältnis ist, desto besser ist die Antenne an die Übertragungsleitung angepasst – damit das Signal weniger stark reflektiert wird und letztlich mehr Leistung zu der Antenne selbst gelangt.