Antenne

Als Bezugspunkt gilt der Feldwellenwiderstand im freien Raum von etwa 377 Ω. Feldquellen mit höherer Impedanz haben ein überwiegend kapazitives Feld und bilden elektrische Antennen, Feldquellen mit niedrigerer Impedanz haben ein überwiegend induktives Feld und bilden reziprok-magnetische Antennen. Das Verhältnis zur Raumimpedanz von 377 Ω bestimmt den Anteil des reziproken Feldes, d. h., eine Feldquelle mit 37,7 Ω hat zu 90 % ein elektrisches Feld und zu 10 % ein magnetisches Feld (elektromagnetische Kopplung, E-Feld neunmal so groß wie H-Feld). Dementsprechend empfängt sie zu 90 % elektrische Felder. Im Fernfeld sind alle Antennen gleich, weil E- und H-Feld nun wirklich senkrecht zueinander stehen und sich dadurch dort die Feldquellen-Impedanz an den Feldwellenwiderstand angepasst hat. Im Nahbereich muss jede Antenne frequenzselektiv sein, da sie als elektrische bzw. magnetische Quelle mit dem Raum einen Resonanzkörper bildet und ein Vektorfeld (Größenordnung eine halbe Wellenlänge) aufbaut. Dieses Vektorfeld spannt sich im Fernfeld zum Poynting-Vektor auf, welches sich dort als elektromagnetische Welle koppelt und nun ein Leistungsfeld bildet, bei dem elektrisches und magnetisches Feld phasengleich sind mit dem Amplitudenverhältnis E/H = 377 Ω.[7]

Reziprozität oder Umkehrbarkeit ist gegeben, wenn in einer Anordnung Ursache und Wirkung miteinander vertauscht werden können, ohne dass sich die charakteristischen Verhältnisse ändern. Antennen sind theoretisch reziprok, können also mit gleichen charakteristischen Eigenschaften sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden. Das bedeutet, dass einige typische Begriffe für Sendeantennen, zum Beispiel die „Ausleuchtung“ oder der „Überstrahlungsfaktor“ von Reflektoren, auch für reine Empfangsantennen genutzt werden können, da sie für den Empfangsfall einen vergleichbaren Einfluss haben (wie in diesem Beispiel auf die effektive Antennenwirkfläche der Antenne oder das Vor-Rück-Verhältnis). So wird das aktive Element einer Antenne unabhängig davon, ob es als Sendeantenne oder Empfangsantenne genutzt wird, „Strahler“ genannt.

In der Praxis ist die Sendeleistung einer Antenne begrenzt durch Funkenüberschläge, thermische Verluste sowie durch Nichtlinearitäten von Ferriten der eventuell vorhandenen Schwingkreise und Übertrager.

Empfangsantennen werden an die Impedanz des Kabels und den Verstärker leistungsangepasst, Sendeantennen werden an die Impedanz des Kabels angepasst, der Sender hat jedoch, um hohe Effizienz zu erreichen, eine möglichst kleine Quellimpedanz.

Im Zusammenhang mit breitbandigen Signalen (UWB) ist zu beachten, dass Reziprozität nicht bedeutet, dass ein Empfänger mit einer gleichartigen (Breitband)-Antenne wie der Sender eine getreue Kopie des Sendesignals gewinnt.

In der Praxis gilt die Reziprozität nur begrenzt. Eine Antenne, die für den Empfang ausgelegt ist, wird evtl. beschädigt, wenn sie die hohen elektrischen Leistungen einer Sendeanlage abstrahlen soll. Als Sendeantennen sind auch solche Empfangsantennen ungeeignet, deren nichtlineare Elemente wie beispielsweise Ferrite nicht entsprechend ausgelegt sind.

Der Reziprozität widerspricht scheinbar, dass unterhalb von etwa 30 MHz der Wirkungsgrad der Empfangsantenne weniger wichtig ist als der der Sendeantenne. Ursache sind die Rauschtemperatur der Atmosphäre und Störungen durch elektrische Geräte und Gewitter. Diese dominieren auf niedrigen Frequenzen auch bei Empfangsantennen mit sehr schlechtem Wirkungsgrad das Eigenrauschen des Verstärkers. Vorteile bieten große Empfangsantennen auf Grund ihrer Richtwirkung, mit der sie Störungen aus anderen Richtungen ausblenden. Ein typisches Beispiel für eine reine Empfangsantenne mit sehr schlechtem Wirkungsgrad ist die Beverage-Antenne.

Antennen werden durch verschiedene Parameter und Begriffe charakterisiert. Einige der Begriffe entstehen aus der Theorie durch Vereinfachungen.

Folgende Vereinfachungen sind üblich:

• quasioptische Verhältnisse (Fernfeld: Transversalwellen)
• linearer Stromverlauf (Länge < λ/10) oder
• sinusförmiger Stromverlauf (Länge: Vielfaches von λ/4 bzw. λ/2)
• nichtlinearer Stromverlauf (Reflexionsstellen mit Phasenverschiebungen: Länge > λ/4).

Wenn Reflexionsstellen mit Phasenverschiebungen entstehen (Länge > λ/4) werden analytische Berechnungen meist zu kompliziert und stattdessen werden Kennwerte durch Simulation (Finite-Elemente-Modelle) bestimmt und durch Messung verifiziert. (Verkürzungsfaktor, Strahlungswiderstand, Bandbreite, Nah- bzw. Fernbereich).

Antennen strahlen polarisierte Wellen ab. Als Polarisationsebene wurde die Richtung des elektrischen Feldvektors gewählt. So schwingt bei vertikaler Polarisation der elektrische Feldvektor zwischen oben und unten, bei horizontaler Polarisation zwischen links und rechts. Empfangs- und Sendeantenne sollen in ihrer Polarisation übereinstimmen, andernfalls wird die Signalübertragung stark gedämpft.

Das kann mit zirkular polarisierter Strahlung umgangen werden: Änderungen der Polarisationsebene wie bei rotierenden Satelliten werden dadurch vermieden, da der elektrische Feldvektor nicht in einer Ebene schwingt, sondern rotiert. Zirkular polarisierte Signale kehren ihre Drehrichtung allerdings bei Reflexion um. Man erzeugt sie z. B. mit Kreuzdipolen, wobei horizontal und vertikal polarisierte Wellen gleicher Phasenlage überlagert werden. Bei 90° Phasenverschiebung zwischen der horizontal und der vertikal polarisierten Welle spricht man von zirkularer Polarisation. Je nach Phasenfolge spricht man von rechtszirkularer oder linkszirkularer Polarisation. Sind die beiden Komponenten unterschiedlich stark, entsteht eine elliptische Polarisation.

Eine verbreitete Antenne zur Erzeugung zirkular polarisierter Wellen ist die Wendelantenne.

Ersatzschaltbild zur Impedanz

Wenn bei Resonanz der Blindwiderstand jX einer Antenne verschwindet, ist der Fußpunktwiderstand (oder Eingangswiderstand) einer Antenne reellwertig und ergibt sich rechnerisch aus der zugeführten Leistung P und dem Strom I, der an den Anschlussklemmen gemessen werden kann. Meist wird er zerlegt in die Summe aus Verlustwiderstand und Strahlungswiderstand.

${\displaystyle R_{\text{Fußpunkt}}={\frac {P}{I^{2}}}=R_{\text{Strahlung}}+R_{\text{Verlust}}\,}$

Der Verlustwiderstand enthält Beiträge wie den ohmschen Widerstand der Leitungsdrähte, zusätzlich den Skin-Effekt des Leiters, Verluste im Anpassnetzwerk und bei einer unsymmetrischen Antenne (wie der Groundplane-Antenne) den Erdungswiderstand (zusammengefasste Verluste der spiegelnden Antennenebene).[8]

Nach Art der verwendeten Kabel nutzt man Antennen mit möglichst passendem Fußpunktwiderstand. Daher gilt:

• In der Unterhaltungselektronik (z. B. für den terrestrischen Fernsehempfang) sind die Antennen für eine Impedanz von 75 Ω ausgelegt.
• Antennen für mobile Funkgeräte haben Fußpunktwiderstände von ca. 50 Ω und niedriger. Die Impedanzen von Sendern haben dort 50 Ω.
• Der Fußpunktwiderstand eines endgespeisten Dipols liegt bei 2200 Ω.

Um den Fußpunktwiderstand der Antenne auf die Impedanz des Kabels anzupassen und so das Stehwellenverhältnis möglichst nahe bei dem Wert 1 zu halten, werden Impedanzwandler oder Resonanztransformatoren eingesetzt.

Der Strahlungswiderstand ${\displaystyle R_{\mathrm {s} }}$ beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Antennenstrom I an den Anschlussklemmen und der abgestrahlten Leistung ${\displaystyle {\overline {P}}}$:

${\displaystyle R_{\mathrm {s} }={\frac {\overline {P}}{I^{2}}}\,}$

Der Strahlungswiderstand ist die wichtigste Kenngröße einer Antenne, da er direkt proportional der Strahlungsleistung ist, d. h. der Größe, welche beim Abstrahlen genutzt wird.

Bei exakter Anpassung sollte im Idealfall die einer Antenne zugeführte Energie auch vollständig abgestrahlt werden. Dieser Idealfall wird nie erreicht: Ein Teil der zugeführten Energie wird als Verlustleistung in Wärme umgewandelt. Das Verhältnis von abgestrahlter Leistung zur zugeführten Wirkleistung wird als Wirkungsgrad einer Antenne ${\displaystyle \eta _{\mathrm {A} }}$ bezeichnet:

${\displaystyle \eta _{\mathrm {A} }={\frac {\text{Nutzleistung}}{\text{Nutzleistung + Verlustleistung}}}}$

Da die Leistungen bei konstantem Speisestrom proportional zu den entsprechenden Widerständen gesetzt werden können, kann für den Resonanzfall (${\displaystyle jX=0}$) folgende Beziehung gesetzt werden:

${\displaystyle \eta _{\mathrm {A} }={\frac {\text{Strahlungswiderstand}}{\text{Strahlungswiderstand + Verlustwiderstand}}}={\frac {R_{\mathrm {S} }}{R_{\mathrm {S} }+R_{\mathrm {V} }}}}$

Nicht abgestimmte Langdrahtantennen erreichen selten mehr als 1 % Wirkungsgrad. Die Parabolantenne liegt meistens über 50 %, der Hornstrahler bei 80 % und mehr.

Der Wirkungsgrad hängt auch davon ab, wie ungestört sich das Fernfeld ausbilden kann:

• Frequenzen über 30 MHz strahlen meist in den Freiraum und die entstehenden Wellen sind i. A. weit genug vom Erdboden entfernt, um sich als Abstrahlung davon zu lösen. Die Kugelwelle von horizontalen- und vertikalen Antennen dringt kaum in den Erdboden ein und wird durch Erdverluste wenig reduziert. Die Ausbreitungsbedingungen der Welle sind dann quasioptisch.
• Frequenzen unter 30 MHz erzeugen Kugelwellen mit großer Wellenlänge, was zu immensen Antennenkonstruktionen führt. Die Erdverluste nehmen zu niedrigen Frequenzen immer mehr zu, der Wirkungsgrad der Antennen nimmt immer mehr ab, es werden immer höhere Sendeleistungen benötigt, um die Verluste auszugleichen. Hier gelten nicht die optischen Gesetze. Leitende Gebilde im Nahbereich der Antenne (geerdete Starkstromleitungen, Blitzschutzgerippe in Gebäuden) sind schwer zu vermeiden und absorbieren Energie. Horizontale Antennen haben bei gleichem Abstand vom Erdboden wie Vertikalantennen größere Erdverluste. Um bei 5 MHz mit einer üblichen Antenne dieselbe Strahlungsleistung zu erzeugen wie bei 50 MHz, braucht man ein Vielfaches der Sendeleistung. Vertikale Antennen brauchen ein gut leitendes Erdnetz, um effektiv abzustrahlen, deshalb befinden sich Langwellensender an Flussläufen und Mooren. Bei horizontalen Antennen mit geringem Erdabstand (h < 3/4 λ) wird der Strahlungswiderstand durch Wirbelströme des Erdbereichs reduziert. Es wird mehr Einspeiseleistung als bei Vertikalantennen benötigt (bei gleicher Leistung in der Kugel). Der Wirkungsgrad (das Verhältnis von abgestrahlter zu eingespeister Leistung) ist bei vertikalen Antennen besser. Die horizontal eingespeiste Welle löst sich aber besser vom Erdboden (je weiter vom Erdboden, desto besser). Größere Reichweiten werden mit horizontalen Antennen erreicht.

Keine Antenne strahlt gleichmäßig in alle Richtungen. Der Richtfaktor D ist das Verhältnis der in Vorzugsrichtung gemessenen Strahlungsintensität zum Mittelwert über alle Richtungen. D = 1 entspricht dem als Bezugsantenne verwendeten nicht realisierbaren Isotropstrahler. Der Antennengewinn G verwendet im Nenner statt der mittleren Strahlungsintensität die gespeiste Sendeleistung geteilt durch den vollen Raumwinkel (4π). Er berücksichtigt also zusätzlich noch den Wirkungsgrad der Antenne: ${\displaystyle G=\eta _{\mathrm {A} }\cdot D}$. Da es einfacher ist, die eingespeiste Energie zu messen, als in allen Richtungen die Strahlungsintensität, wird meist nur der Antennengewinn gemessen und in den Datenblättern kommerzieller Antennen genannt. Beide Größen sind relative Zahlenangaben und werden meist in Dezibel angegeben. Weil aber unterschiedliche Vergleichsantennen zugrunde liegen können, wird der Antennengewinn entweder in dBd, mit dem Bezug der Dipolantenne, oder in dBi mit dem Bezug des Isotropstrahlers, angegeben.

Das Antennendiagramm einer Antenne stellt die Winkelabhängigkeit der Abstrahlung bzw. der Empfangsempfindlichkeit für eine bestimmte Frequenz und Polarisation grafisch dar. Eine verallgemeinerte Form des Antennendiagramms wird auch als Richtcharakteristik bezeichnet. Die in der Praxis gemessenen stark ausgefransten und zerklüfteten Antennendiagramme werden hier einer geometrischen oder theoretisch berechneten Grundform angenähert (z. B. eine Achtercharakteristik für den Dipol oder die Cosecans²-Charakteristik einer Radarantenne).

Eine Empfangsantenne entnimmt einer ebenen Welle Energie. Die Strahlungsdichte der Welle ist eine Leistung pro Flächeneinheit. Der empfangenen Leistung kann eine Fläche zugeordnet werden, die effektive Absorptionsfläche A_W oder Wirkfläche. Für einen Aperturstrahler (s. u.) ist die Wirkfläche typischerweise etwas kleiner als die geometrische Fläche A. So beträgt (bei 100 % Wirkungsgrad, s. o.) die Wirkfläche eines rechteckigen Hornstrahlers mit den Abmessungen a und b

${\displaystyle A_{\mathrm {W} }={\frac {8ab}{{\pi }^{2}}}\approx 0{,}81ab.}$

Die Absorptionsfläche eines λ/2-Dipols beträgt

${\displaystyle A_{\mathrm {W} }\approx {\frac {\lambda ^{2}}{7,7}}.}$

Die Wirkfläche ist per definitionem proportional zum Gewinn G:

${\displaystyle {\frac {A_{\mathrm {W} }}{G}}={\frac {\lambda ^{2}}{4\pi }}}$

Der Antennenfaktor AF einer (als Empfangsantenne verwendeten) Antenne ist das (grundsätzlich frequenzabhängige) Verhältnis der elektrischen Feldstärke E der einfallenden Welle zur Ausgangsspannung U der Antenne:

${\displaystyle \mathrm {AF} ={\frac {|E|}{|U|}}}$

und wird auch als Wandlungsfaktor bezeichnet. Er entspricht dem Kehrwert der (effektiven) Antennenlänge bzw. -höhe, hat die Einheit 1/m und ist eng verknüpft mit der Absorptionsfläche (Wirkfläche). Üblicherweise wird der Antennenfaktor logarithmiert in dB angegeben und als Wandlungsmaß bezeichnet:

${\displaystyle \mathrm {AF[dB(1/m)]} =20\log \left({\frac {|E|}{|U|}}\cdot \mathrm {1m} \right)}$.

Im Nahbereich erzeugt der elektrische oder magnetische Dipol eine Feldverteilung, bei der ein Großteil der Energie immer wieder in die Antenne zurückfällt. Ab einem bestimmten Abstand schnürt sich die Feldverteilung ab und eine elektromagnetische Welle breitet sich räumlich aus. Dieser Bereich ist als Fernfeld definiert. Eine scharfe Abgrenzung gegen den Nahbereich ist nicht möglich. Eine Voraussetzung für die sich selbstständig fortbewegende Welle ist, dass die Phasenverschiebung zwischen elektrischem und magnetischen Feld verschwindet, während sie in Antennennähe 90° beträgt. Über die Phase lassen sich dadurch Nahbereich, Fernbereich und Übergangsbereich definieren.

Grundsätzlich muss unterschieden werden zwischen:

• resonanten Schmalbandantennen und
• nicht resonanten Breitbandantennen.

Die (Einspeise-)Bandbreite einer resonanten (Schmalband-)Antenne hängt von ihrem Belastungswiderstand ab, d. h., bei ±45° Phasenverschiebung sinkt die Güte (steigt die Dämpfung) des gesamten resonanzfähigen Gebildes. Je kleiner der Lastwiderstand, desto größer die Bandbreite, meist auf Kosten des Wirkungsgrades. Bei aktiven (Empfangs-)Antennen (mit FET-Eingangsstufe) kann der Lastwiderstand viel größer ausgelegt werden, um dadurch die Bandbreite des Systems zu vergrößern.

Bei nicht resonanten Breitbandantennen (Resonanz erst außerhalb ihres Nutzfrequenzbereiches) werden Reflexionen vermieden und die eingespeiste Welle (siehe B. mit 50 Ω Leitungsimpedanz) durch Aufweitung der Speiseleitung langsam an den Feldwellenwiderstand (377 Ω) angepasst. Die Grenzen des Frequenzbereiches werden dabei durch die Halbwertsbreite bestimmt. Das ist der Bereich, in dem die abgestrahlte Energie vom Maximalpunkt aus halbiert wird (−3 dB). Echte Breitbandantennen sind nicht resonant und durch besondere konstruktive Maßnahmen bleiben ihre elektrischen Eigenschaften in einem weiten Frequenzbereich nahezu konstant (Beispiele sind bikonische Antennen, Spiralantennen und logarithmisch-periodische Antennen). Bei der logarithmisch-periodische Antenne (LPDA) wäre der Einzelstrahler zwar (schwach) resonant, durch das Zusammenwirken mit den Nachbarelementen entsteht jedoch die Breitbandigkeit.

Die Höhe der Antenne über Grund (nicht zu verwechseln mit der effektiven Antennenhöhe) bestimmt die Ablöseeigenschaften der Kugelwelle (λ/2-Strahler im Bsp. für Höhenangaben vorausgesetzt) vom Erdboden. Die Höhe spielt ab > 2 λ praktisch keine Rolle mehr (s. u.). Generierte Kugelwellen (λ/2-Strahler) erzeugen hemmende Gegenfelder (Strom erzeugt Gegenstrom, verschlechternder Strahlungswiderstand) für einen Bereich λ/2 unter ihnen (insgesamt λ, negatives Spiegelfeld, Erdfelder). Darunter (2 λ) entsteht ein förderndes Spiegelbild (2 λ), d. h. mit fördernder, gleichgerichteter Phase (erhöhender Strahlungswiderstand). Die Höhe der Antenne über Grund ist für die Abstrahlungseigenschaften von Bedeutung, besonders bei Frequenzen < 30 MHz. Im Bereich bis 300 MHz muss sie beachtet werden (h < 2 λ). Ab 300 MHz aufwärts spielt sie praktisch keine Rolle.

Stromverteilung (rot) und Winkelverteilung (blau) der Strahlung an einem Dipol für verschiedene Wellenlängen

Der Begriff lineare Antennen bezeichnet Antennen, die eine linienhafte Stromverteilung in der Antennenstruktur aufweisen. In Praxis wird die Linie, diese muss nicht geradlinig verlaufen, als ein gegenüber der Wellenlänge dünner elektrischer Leiter aus einem metallischen Draht oder aus einem metallischen Stab gebildet. Zu den linearen Antennen gehören alle Formen von Langdrahtantennen sowie Dipolantennen und auch Faltdipole.

Die lineare Antenne ist eine der gebräuchlichsten Strahlerformen. Sie wird beispielsweise als Sendemast in Rundfunksendern im Lang- und Mittelwellenbereich, als Drahtantenne im Kurzwellenrundfunk und auf Kurzwelle im Amateurfunk und Schiffsfunk, und als λ/2-Dipol als Strahler in Yagiantennen im VHF- bis UHF-Bereich sowie als λ/4-Dipol in Stabantennen für Kurzwelle bis jenseits des UHF-Bereiches (Funkdienste, Funktelefone, CB-Funk usw.) eingesetzt. Der Strom entlang der Antennenstäbe bzw. -drähte ist bei Längen unter λ/5 nahezu linear, bei Längen darüber sinusförmig verteilt. Es treten an den Enden (und bei längeren Antennen in Abständen der halben Wellenlänge) Stromknoten (${\displaystyle {\underline {I}}=0}$) und Spannungsbäuche (${\displaystyle {\underline {U}}={\hat {U}}}$) auf.

Die sinusförmige Stromverteilung auf Dipolantennen-Stäben wird zwar experimentell gut bestätigt, kann aber zur Berechnung des Eingangswiderstandes einer Antenne nicht herangezogen werden, da Strom und Spannung zeitlich nicht ganz um 90° phasenverschoben sind. Die elektrische Impedanz einer Antenne am Speisepunkt sollte jedoch keinen Blindwiderstandsanteil aufweisen, sie ist im Idealfall der äquivalente Serien- oder Parallelwiderstand, der durch die abgestrahlte Wirkleistung und – in geringem Maße – durch die Antennenverluste entsteht. Die Fußpunktimpedanz einer Antenne ist also ein rein ohmscher Widerstand, er sollte gleich der Leitungsimpedanz (Wellenwiderstand) der speisenden Leitung sein. Weicht die Antennen-Fußpunktimpedanz in ihrem Real- oder Imaginärteil davon ab, müssen Anpassglieder (Spulen, Baluns, π-Glieder, Anpassübertrager) eingesetzt werden.

Bei linearen Antennen ist die Länge im Verhältnis zur Wellenlänge λ maßgeblich. Die Verteilung der Strommaxima entlang der Strahler-Elemente einer symmetrischen, gestreckten Antenne ist ebenfalls symmetrisch und feststehend.

Stromverteilung (rot) und Spannungsverteilung (blau) auf einem Halbwellendipol

Ist ohne Längenangabe von einer Dipolantenne die Rede, so ist meist ein Halbwellendipol gemeint. Seine Länge ist die Hälfte der Wellenlänge λ. Er wird symmetrisch gespeist. Im Speisepunkt ist er aufgetrennt; dort liegen ein Strommaximum und ein Spannungsminimum, die Impedanz beträgt 73,2 Ω.

Ein Faltdipol entsteht, indem der Stromweg eines Halbwellendipols auf zwei Wege aufgeteilt wird. In nur einem dieser Wege ist er aufgetrennt, dort liegt der Speisepunkt. Durch die induktive bzw. kapazitive Kopplung an den ungespeisten Stab halbiert sich der Speisestrom bei verdoppelter Speisespannung. Durch diese Impedanztransformation (auf jeder Seite ein λ/4-Transformator) vervierfacht sich beim Faltdipol die Impedanz des Speisepunktes auf etwa 240–300 Ohm. Der Vorteil des Faltdipols ist dessen mögliche geerdete Befestigung am Antennenträger sowie früher die Verwendbarkeit preiswerter symmetrischer Speiseleitungen, der sogenannten Bandleitung.

Eine breitbandigere Form ist der Flächendipol, auch er zählt zu den linearen Antennen.

In Fällen, bei denen eine Richtwirkung nicht erwünscht ist, z. B. bei angestrebtem Rundum-Empfang oder -Senden, kann ein Knickdipol eingesetzt werden, bei dem die beiden Strahlerhälften im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Alternativ werden die Strahlerhälften auch halbkreisförmig gebogen. Diese Bauform wird als Ringdipol bezeichnet.

Der Viertelwellenstrahler, auch als Monopolantenne oder Groundplane-Antenne bezeichnet, ergibt gespiegelt einen Halbwellendipol, wobei nur ein Zweig des Halbwellendipols als Antennenstab benötigt wird. Durch eine gut elektrisch leitfähige Oberfläche oder durch mehrere abstehende Stäbe im Antennenfußpunkt entsteht durch Induktionsströme eine (elektrisch messbare) Spiegelung des Antennenstabes. Je besser die Leitfähigkeit der Spiegelfläche, desto besser wird ein „Gegengewicht“ zum Strahler generiert. Bei einem Handfunkgerät mit elektrischem Strahler wirkt der Körper des Benutzers mit seiner (wirksamen, doch nicht optimalen) Leitfähigkeit als Gegengewicht, bei Kfz-Antennen die gut leitende Karosserie und bei Funktelefonen und vielen Funkfernsteuerungen die Leiterplatte bzw. das Gehäuse.

Verwendet wird der Viertelwellendipol als Antenne für Handfunkgeräte und andere mobile Geräte z. B. in Kraftfahrzeugen. Er ist der kleinste optimale elektrische Strahler, falls eine gute Spiegelfläche existiert. Kleinere Strahler erkaufen sich die Kleinheit mit höheren Verlusten in den Verkürzungselementen und bilden immer einen Kompromiss.

Teleskopantenne an einem Fahrzeug

Als Teleskopantenne ist der Viertelwellendipol in mehrere kleinere Abschnitte unterteilt, die stufenförmig verjüngt teleskopartig ineinandergeschoben werden können. Das ergibt ein kleineres und somit besser transportfähiges (im nichtaktiven Zustand) Format für eine Empfangsantenne. Alle diese Abschnitte müssen sehr guten elektrischen Kontakt untereinander haben. Verwendet wird eine solche Teleskopantenne oft bei kleinen Taschenradios und tragbaren Funkgeräten. Eine Teleskopantenne kann durch Beschaltung des Fußpunktes mit einer zusätzlichen Induktivität elektrisch verkürzt werden und ist nur effektiv angepasst, wenn sie in voller Länge ausgezogen ist.

Setzt man zwei gleichphasig schwingende Halbwellendipole gestreckt aneinander, entsteht ein sogenannter Ganzwellendipol. Am Speisepunkt in der Mitte liegen ein Stromknoten und gegenphasige Spannungsmaxima, so dass die Impedanz hoch ist (> 1 kΩ). Wie beim Viertelwellendipol halbiert sich die Impedanz, wenn die untere Hälfte durch das Spiegelbild der oberen an einer leitenden Fläche gebildet wird. Eine gängige Antennenimpedanz von 240 Ω bildet sich ebenfalls durch Parallelschaltung von vier Ganzwellenstrahlern in einer Gruppenantenne.

Induktivität (Drahtfeder) am Antennenfußpunkt zur elektrischen Verlängerung einer geometrisch zu kurzen Stabantenne

Ist eine lineare elektrische Antenne kürzer als λ/4, hat die Fußpunktimpedanz eine kapazitive Komponente, die zur Anpassung kompensiert werden muss. Das kann durch Einfügen einer Serien-Induktivität (Verlängerungsspule) nahe beim Speisepunkt, eine zur Speisung parallel geschaltete Spule oder eine Dachkapazität am Antennenende erfolgen. Konstruktionen mit Dachkapazität erreichen eine bessere Stromverteilung und erzeugen einen besseren Wirkungsgrad als solche mit Verlängerungsspule. Eine typische Antenne mit Dachkapazität ist die T-Antenne.

Beispiele für Antennen mit Verlängerungsspulen sind die sogenannten Gummiwurst-Antennen an Handfunkgeräten, CB-Funk-Antennen mit Längen < 3 m und fast alle Antennen in Funkfernsteuerungen unterhalb des 433-MHz-ISM-Bandes (λ/4 = 18 cm).

Unterhalb von etwa 100 MHz ist der Wirkungsgrad einer Antenne nur für Sender wirklich wichtig. Bei reinen Empfangsantennen ist die entscheidende Frage, ob das gesamte Empfangssystem einen ausreichenden Signal-Stör-Abstand erreicht. Bei Antennen ohne starke Richtwirkung dominieren Umgebungsstörungen und das sogenannte atmosphärische Rauschen, nicht aber das Rauschen der Empfänger-Eingangsstufen. In diesem Fall sinken mit dem Wirkungsgrad sowohl das Signal als auch der Störpegel, das Verhältnis bleibt gleich.

Im Mittelwellenbereich sind elektrische Empfangsantennen und ihre Antennenkabel klein gegen die Wellenlänge. Ihre Impedanz am Speisepunkt ist deshalb nahezu kapazitiv. Deshalb verwendete man früher bei hochwertigen Empfängern – vor allem bei Autoradios – diese Kapazität als Kondensator des Eingangskreises. Die Abstimmung erfolgte dabei mit der veränderlichen Induktivität (Variometer) dieses Kreises.

Heute sind die üblichen Autoradio-Antennen in aller Regel aktive Antennen, d. h., sie bestehen aus einem kurzen Stab und einem Verstärker mit hochohmigem, kapazitätsarmem Eingang. Die früher üblichen ausziehbaren Antennen sind in Neufahrzeugen kaum noch zu finden. Im Prinzip reicht als Verstärker ein Impedanzwandler wie ein als Sourcefolger beschalteter Feldeffekttransistor. Da eine solche Antenne aber sehr breitbandig ist, muss man das Großsignalverhalten mit erhöhtem Aufwand verbessern.[9]

Bei einer Langdrahtantenne übersteigt die Drahtlänge die halbe Wellenlänge λ wesentlich.[10] Die unter diesem Begriff zusammengefassten Antennenbauformen sind alle horizontal polarisiert und unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Speisung und die Form der Verlegung des Strahlers. Mit zunehmender Länge nähert sich die Hauptstrahlrichtung der Antennenlängsrichtung symmetrisch an. Wird das von der Speisung entferntere Leiterende mit einem Abschlusswiderstand gegen Erde versehen, dann kann sich auf der Antenne keine stehende Welle ausbilden. Man spricht in diesem Fall von einer aperiodischen Antenne, die durch die auf dem Leiter entlanglaufende Wanderwelle ein besseres Vor-Rück-Verhältnis erhält.

Solche langen Antennen haben, besonders bei niedriger Aufhängung (Höhe der Antenne über Grund), einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Sie werden aber häufig als Richtantennen für Empfangszwecke (Beverage-Antenne) genutzt.

Rechteckhornstrahler

Der Begriff Flächenantennen (oder Flächenstrahler) bezeichnet Antennen, die im Gegensatz zu den linearen Antennen eine leitungsgeführte Welle an einer Flächenausdehnung, beispielsweise eine Öffnung in einem Hohlleitersystem, in Freiraumwellen umwandeln und umgekehrt. Flächenstrahler werden bei Frequenzen oberhalb von etwa 1 GHz als Richtstrahler eingesetzt. Ein technisch einfaches Beispiel ist der Rechteckhornstrahler, bei dem ein Rechteckhohlleiter aufgeweitet wird, bis die Öffnung in ihren Abmessungen groß gegenüber der Wellenlänge λ ist.

Aperturstrahler sind Antennen, die über eine strahlende Öffnung (Apertur) elektromagnetische Energie abstrahlen oder aufnehmen. Je größer die Öffnung im Verhältnis zur Wellenlänge, desto stärker die Bündelung der Strahlung entsprechend dem Rayleigh-Kriterium. Aperturstrahler haben meistens die Form eines Hohlleiters, der sich allmählich zum Horn aufweitet. Dadurch bleibt die Feldverteilung der eingespeisten Welle weitgehend erhalten und der Übergang in den Freiraum ist nahezu reflexionsfrei.

Als Reflektorantennen bezeichnet man Antennen, deren Ende entgegen der Strahlungsrichtung aus einer reflektierenden Fläche besteht. Im einfachsten Fall ist das eine Yagi-Antenne, deren Rückseite z. B. aus einer Vielzahl von Reflektorstäben oder einer im Verhältnis zur Wellenlänge größeren metallischen Fläche besteht.

Sofern Reflektorflächen von mindestens 10 Wellenlängen Durchmesser praktikabel sind, sind Parabolantennen in aller Regel das Mittel der Wahl. Vergleichbare Antennengewinne lassen sich, wenn überhaupt, nur durch Gruppenantennen erreichen, die komplexer aufgebaut sind. Im Brennpunkt eines Parabolspiegels (die Fläche ist ein Paraboloid) sitzt der Primärstrahler. Das Strahlungsdiagramm dieser Antenne wird so gewählt, dass sie den Spiegel möglichst gut ausleuchtet, ohne darüber hinaus zu strahlen. Dafür eignen sich, je nach Frequenz, z. B. Hornstrahler oder kurze Yagi-Antennen.

Die Spiegel müssen keine geschlossenen Metallflächen sein, sondern dürfen Öffnungen von etwa 1/10 der Wellenlänge aufweisen, wodurch sich der Fertigungsaufwand und die Windlast senken lassen. Auch die Form der Fläche darf Abweichungen in dieser Größenordnung aufweisen. Für die Form des Spiegels kann im Prinzip ein beliebiger Teil des Paraboloiden genutzt werden. So benutzen viele Antennen für den Fernsehsatelliten-Empfang sogenannte Offsetantennen, bei denen der Brennpunkt nicht in der Symmetrieachse liegt, sondern daneben.

Antennen-Bauformen, die sich nicht unter vorgenannte Typen einordnen lassen, sind z. B.:

• Wendelantennen (Abstrahlung in Richtung der Achse einer Draht- oder Streifenwendel, zirkulare Polarisation)
• Vivaldi-Antennen (zweidimensionaler Exponentialtrichter am Ende einer Schlitzleitung)
• Antennen, die durch Schlitze in Hohlleitern entstehen (Abstrahlrichtung quer oder längs zum Hohlleiter)
• Spiralantennen, Abstrahlung beidseitig senkrecht zu einer aus Streifenleitungen gebildeten Spirale, zirkular polarisiert
• Fraktalantenne
• Topfantenne
• Patchantennen und PIFA auf Leiterplatten
• T2FD (Bauform ähnlich einem Faltdipol, durch einen Abschlusswiderstand aber ohne Resonanzeffekte)
• dielektrische Antennen für Mikrowellen
• Schmetterlingsantenne, verschiedene Bauformen, beispielsweise für den Empfang von DVB-T
• Zimmerantennen zur Aufstellung oder Installation direkt im Wohnraum nahe einem Empfänger, es werden sowohl Linear- als auch Rahmen- oder Schmetterlingsantennen verwendet, oft auch als Aktivantenne.

Eine Aufzählung von Gruppenantennen siehe unter Kategorie:Gruppenantenne.

Der Begriff Gruppenantenne (auch Antennenarrays genannt) bezeichnet Antennen, die aus einer Anzahl von Einzelstrahlern konstruiert sind, deren abgestrahlte Felder sich überlagern und durch konstruktive Interferenz zu einem gemeinsamen Antennendiagramm formen. Als Einzelstrahler können fast alle Antennenbauformen eingesetzt werden, also auch im Aufbau komplizierterer Antennen, wie Yagi-Antennen.

Alle Einzelantennen befinden sich meist geometrisch in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung und müssen jeweils phasenrichtig zueinander gespeist werden. Satelliten-Empfangsantennen, die wie eine flache, meist rechteckige Fläche aussehen, sind typische Vertreter einer Gruppenantenne. Gruppenantennen kann man als den Spezialfall eines Phased Array betrachten, bei dem alle Antennen mit der gleichen Phasenlage angesteuert werden.

Eine Verallgemeinerung der Gruppenantenne ist das Phased-Array. Bei dieser Antennengruppe können die einzelnen Strahlerelemente oder Strahlergruppen mit unterschiedlicher Phasenlage und manchmal auch mit unterschiedlicher Leistung gespeist werden. So lässt sich das Richtdiagramm der Antenne rein elektronisch, also sehr schnell, ändern und wird für Radar-Anlagen benutzt. Auch Empfangsgeräte für Satelliteninternet werden mit Phased-Array-Antennen ausgestattet.[11][12]

Eine Monopuls-Antenne wird bei modernen Radargeräten verwendet, um die Genauigkeit der Winkelmessung bei der Richtungsbestimmung sowie das Zeitbudget des Radars zu verbessern. Bei der Monopulsantenne werden die einzelnen Strahler in zwei Hälften (oder vier Quadranten für dreidimensionales Radar) aufgeteilt. Aus deren Empfangssignalen werden in einem Monopuls-Diplexer sowohl Summen- als auch Differenzsignale gebildet, die in zwei bis vier identischen Empfangskanälen weiterverarbeitet werden. Mit diesen Signalen kann ein Rechner die Position eines Zieles innerhalb des Peilstrahls bestimmen.

Magnetische Rahmenantennen in einem Antennenarray

Magnetische Antennen verwenden primär ein Magnetfeld zur Strahlungserzeugung bzw. empfangen primär die magnetische Feldkomponente der elektromagnetischen Strahlung. Sie bestehen aus einer Leiterschleife (im einfachsten Fall mit nur einer Windung) und besitzen durch das Vektorfeld eine Richtwirkung (bei stehender Spule eine Achtcharakteristik) und können, wie alle verkürzten Antennen, gegenüber der Wellenlänge sehr klein sein, wenn die Spule aus mehreren Windungen besteht. Zu den magnetischen Antennen zählen auch die Rahmenantennen, aus einer drehbaren Spule bestehende Peilantennen und Ferritantennen, jedoch nicht induktiv verlängerte Antennen wie die Gummiwurst. Auch die Wendelantenne ist keine magnetische Antenne, da der gewundene Leiter zur Führung der Welle dient und dort schon das Fernfeld anfängt.

Werden Antennen im Freien an hohe Masten montiert, welche die Umgebung überragen, so müssen sie vor Blitzschlag geschützt werden. Die Vorschriften dazu sind im Baurecht des jeweiligen Landes oder Staates enthalten. Für Deutschland siehe das Merkblatt des VDE.[13]

Antennen bieten starkem Wind einen Widerstand, Windlast genannt. Die Antennen- und Mastkonstruktion muss diese zusätzlichen Kräfte aufnehmen können. Beim Errichten von Antennenanlagen muss diese Windlast, die in den Datenblättern von Antennenherstellern angegeben wird, bei der statischen Berechnung berücksichtigt werden. Aufgrund starker Verformungen der Seilnetzwerke von Vorhangantennen infolge hoher Windlasten ist es erforderlich, die statische Untersuchung nach Theorie III. Ordnung vorzunehmen und die hochfrequenztechnische Antennensimulation am verformten System anzusetzen.[14]

Antennen, Mastkonstruktionen und Abspannungen können im Winter vereisen. Dabei können das Gewicht der Antennenkonstruktion und die Angriffsfläche für die Windlast erheblich vergrößert werden sowie eine starke Dämpfung des Signals auftreten. Außerdem können durch herabfallende Eisbrocken Menschen verletzt werden. Deshalb sind beim Aufbau und Betrieb einer Antennenanlage mögliche Gefahren, die durch Vereisung entstehen können, zu berücksichtigen.

In Einzelfällen werden Teile der Antennenanlage auch geheizt, um die Leistungsverluste der Antenne im Winter zu kompensieren und einer Vereisung vorzubeugen. Eine andere Möglichkeit, einer Vereisung bis zu einem gewissen Grad vorzubeugen, sind hohle Antennenträger aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) mit glatter Außenoberfläche, in welche die Antennen eingebaut werden, oder durchgehende Kunststoffschalungen als Vorbau, auch als Radom bezeichnet. Diese Techniken werden vor allem bei UHF-Fernsehsendern, manchmal aber auch bei VHF- und UKW-Sendern angewendet.