Antennen

Rund um das Thema Antennen gibt es immer wieder Missverständnisse. Bei professionellen Anwendern im Betriebsfunk treffen wir nur selten auf Bastelkonstrukte die gar nicht funktionieren können, im Bereich des Hobbyfunkes allerdings scheint es ein Dauerzustand zu sein, seit Jahrzehnten durch Unwissenheit genährte Mythen.

Funktion von Antennen

Antennen sollen, ähnlich wie Mikrofone und Lautsprecher die Energieform umwandeln, und zwar konkret:

Bei Senden die elektrische Wechselspannung welche vom Sender über das speisende Koaxialkabel kommt, möglichst effizient in ein elektromagnetisches Feld im umgebenen Freiraum um die Antenne wandeln.

Bei Empfang soll eine Antenne ebenso effizient die elektromagnetische Feldstärke in Ihrer Umgebung zurück übersetzen in eine elektrische Wechselspannung.

„Damit diese Funktion überhaupt erst möglich ist, muss die Antenne in Resonanz sein und eine Fußpunktimpedanz möglichst nahe um 50 Ohm aufweisen.“

Resonanz? Impedanz? Fußpunktimpedanz?
Ein kurzer Abstecher in die HF-Wechselstromlehre:

Elektrische Signale zwischen Antennenbuchse und Antenne sind hochfrequente Wechselspannungen welche somit den physikalischen Gesetzen der Wechselstromlehre entsprechen. Eine der wichtigsten Grundschaltungen in der Funktechnik sind Schwingkreise, eine Kombination einer Spule und eines Kondensators. In der Wechselstromlehre sind Spulen und Kondensatoren Bauteile mit gegenläufigen Funktionen. Um den wichtigsten zu betrachten, der komplexe Widerstand:
Spulen haben einen induktiven Blindwiderstand X_L, welcher bei steigender Frequenz steigt.
Kondensatoren haben einen kapazitiven Blindwiderstand X_C, welcher bei steigender Frequenz abnimmt. Ein Schwingkreis ist dann in Resonanz wenn die angelegte Frequenz dazu führt das X_L und X_C auf den selben Blindwiderstand kommen wobei sämtliche induktiven und kapazitiven Blindleistungen sich gegenseitig aufheben. Diese Impedanz eines Parallel-Schwingkreises hängt von der Wertedimension von L und C ab. So könnte man einen Schwingkreis mit 600nH und 1,88pF dimensionieren. Seine Impedanz läge bei Resonanz auf 150MHz allerdings bei knapp 40kOhm. Ebenso wären auch 21nH + 53,6pF möglich – die Resonanz bei 150MHz hätte dann eine Impedanz von beinahe perfekten 50Ohm.

Dieser kurze Ausflug in die Wechselstromlehre war wichtig, denn um die Funktion einer Antenne in Resonanz zu verstehen, kann man eine Antenne als Schwingkreis betrachten – denn das ist der physikalische Hintergrund einer Antenne! Antennen in Resonanz bilden Schwingkreise aus der Induktivität der Strahlerelemente (Drähte und Rohre) und die Kapazität gegenüber der Signalreferenz. Bevor wir zu konkreten Beispielen kommen, fehlt aber noch ein elementarer Wissensbaustein:

Wellenlänge

Wechselspannungen haben neben ihrer Spannung (V_EFF oder V_SS) auch ihre zeitliche Charakteristik welche gewöhnlich als Frequenz angegeben wird. Die Frequenz gibt an wie viel Schwingungsperioden innerhalb einer Sekunde das Signal aufweist. Eine Frequenz von 150MHz im 2m Band entspricht also 150.000.000 Perioden je Sekunde. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im freien Raum entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Die Wellenlänge einer Frequenz lässt sich somit berechnen mit der Näherungsformel Lichtgeschwindigkeit/Frequenz: 300.000.000_m/s / 150.000.000Hz. Im VHF und UHF-Bereich verkürzt man gerne in dem man nur die Millionenstellen dividiert: 300Mm / 150MHz = 2m oder umgekehrt 300/ 2m = 150MHz. Genau das steckt hinter den Bandbezeichnungen wie 11m, 4m, 2m oder 70cm entsprechend 27MHz, 75MHz, 150MHz 429MHz. Die Wellenlänge in Meter wird als Lambda mit dem Formelzeichen λ bezeichnet und stellt für Antennen eine elementare Größenordnung dar. Kommen wir nun zu den praktischen Beispielen.

Dipol

Die Urform von Antennen und somit die Mutter aller heutigen Antennen ist das Dipol wie oben skizziert. Seine absolute Länge entspricht einer halben Wellenlänge ( λ 1/2) entsprechend eben 550cm im 11m Band, 2m im 4m Band, 1m im 2m Band oder 35cm im 70cm Band. Das Ur-Dipol wird mittig unterbrochen und symmetrisch gespeist. Seine Impedanz bei Resonanz liegt zwischen 60-70Ohm. Der Schwingkreis bildet sich aus der Induktivität beider Schenkel und der Kapazität zwischen beiden Schenkeln. Die Bandbreite ist mit etwa 3-4% eher schmal. Diese Urform des Dipols wird bis heute als Bezugsreferenz für die Effizienz anderer Antennen verwendet. Eine beliebige Antenne mit 0dBD Gewinn bedeutet das Ihre Effizienz exakt einem Ur-Dipol entspricht.

Faltdipol

Das Faltdipol ist eine Parallelschaltung zweier Dipole. Unten der mittig unterbrochene und gespeiste Dipol sowie darüber einen durchgehenden Dipol parallel. Der Schwingkreis bildet sich wie beim Ur-Dipol aus den Induktivitäten der unteren Schenkel und Ihrer Kapazität zueinander, sowie der Induktivität des parallelen Dipols. Auch das Faltdipol wird symmetrisch gespeist, allerdings liegt seine Impedanz bei Resonanz bei rund 240Ohm. Seine Bandbreite ist mit ca. 6-10% der Resonanzfrequenz mehr als doppelt so groß wie bei einem gestreckten Dipol. Die Effizienz beträgt 0dBD.

Diese beiden Grundformen von Antennen haben aus heutiger Sicht den Nachteil das ihre Impedanzen nicht zum heutigen 50Ohm-Standard passen und sie zudem nicht direkt mit unsymmetrischen Koaxialkabel angeschlossen werden können. Dennoch werden beide Formen mit leichten Änderungen bis heute für manche Stationsantennen verwendet.

Einfache Dipole werden bei VHF/UHF nicht mehr symmetrisch an einer mittigen Unterbrechung gespeist, sondern über einen sogenannten Gamma-Match. Dieser passt das symmetrische Dipol optimal auf das unsymmetrische Koaxialkabel an, ebenso bestimmt die Länge der Phasenleitung exakt den Punkt auf dem Dipolschenkel, wo die Anschlussimpedanz exakt 50Ohm beträgt. Die Firma Kathrein ist aktuell noch der einzige Produzent welcher Dipole mit Gamma-Match für die Betriebsfunkbänder 4m, 2m und 70cm anbietet.

Faltdipole werden bis heute für Richtantennen verwendet. Ein optimierter Balun passt die Fußpunktimpedanz des Faltdipols (240Ohm) optimal auf die 50Ohm des Speisekabels an. Der Faltdipol als Einzelantenne dient zur gezielten Funkfeldausleuchtungen, da er parallel zu einem Standrohr montiert mit unterschiedlichen Abständen einige interessante Abstrahlcharakteristiken bietet wie er mit Rundstrahlern niemals erreichbar wäre. Bei Amphenol Procom findet man die Faltdipole für 4m, 2m und 70cm eben als Einzelantennen, sowie auch als aktives Element von Yagis mit 2 bis 18 Elementen. Ebenso findet man moderne Phasen-Arrays mit diesen Dipolen. Für Rundstrahler werden Dipole jedoch schon seit Jahrzehnten nicht mehr genutzt. Weil es bessere Abwandlungen des Ur-Dipols gibt, und einfacher oder effektiver nach heutigem Standard mit 50Ohm und unsymmetrischen Speiseleitungen angeschlossen werden können.

Groundplane

Um die Urform des gestreckten Dipols optimal auf die Anforderungen der modernen Funktechnik anzupassen, also vertikale Polarisation, 50Ohm Impedanz unsymmetrisch, koaxial kam man schnell auf diese Antennenform und nannte sie Groundplane. Sie Besteht aus dem GP-Kopf an denen ein vertikaler Strahler oben sowie drei Radiale im exakten Winkel schräg nach unten montiert sind. Sie entspricht einen vertikalen Dipol mit unverändertem oberen Strahler. Der untere Schenkel hingegen wurde dreifach ausgeführt und stellt die Bezugsfläche zum Strahler dar. Der Schwingkreis bildet sich aus der Induktivität des Strahlers mit der Kapazität des Strahlers zur Bezugsfläche (Radiale). Der Materialeinsatz ist bei der Groundplane minimal und das Funktionsprinzip erschlagend einfach. Das einzig herausfordernde bei der Fertigung einer Groundplane ist der GP-Kopf. Dieser muss einerseits stabil genug sein die Hebelkräfte der Elemente bei Wind abzufangen und einen sicheren Sitz auf dem Masten sicherstellen. Aus HF-Technischer Sicht kommt hinzu das der GP-Kopf einen koaxialen Übergang bildet. Also als dreidimensionaler Leiter die Durchmesserverhältnisse des Kabels ohne Impedanzsprünge aufweitet. GP-Köpfe für Laborzwecke sind präzise Drehteile von der Drehbank. Einfachere GP-Köpfe für CB, 4m, 2m und 70cm sind eher Gussteile aus speziellen Legierungen. Die Länge aller drei Radiale sowie des Strahlers entsprechen exakt λ 1/4. Für CB-Funk also jeweils 2,78m oder für 70cm etwa 17cm. Die Groundplane ist aufgrund ihrer Einfachheit im CB- und Amateurfunk eine beliebte Selbstbauantenne. Sie ist kommerziell beispielsweise als GP 27, GP 80 und GP 160 erhältlich. Die Effizienz der Groundplane beträgt 0dBD.

Koaxial-Dipole

Koaxialdipole sind schlanke Dipole dessen Schenkel als Rohr ausgeführt ist. Sie werden allerdings nicht mittig gespeist wie das Ur-Dipol oder die Groundplane, sondern unten im Fuß. Der innere Aufbau ist ein fragiles Konstrukt aus zwei Rohren und einem Draht als Innenleiter. Elektrisch stellt es ein Koaxialkabel mit unterbrochenem Außenleiter dar. Die isolierten Rohre bilden gemeinsam das endgespeiste Dipol und somit den aktiven Strahler dar. Der im Rohr verlaufende Innenleiter ist an der Abstrahlung nicht beteiligt, er dient lediglich zur kapazitiven Speisung der Dipol-Rohre.

Diese Beispielbilder zeigen das Innenleben eines Koaxialdipols vom Type Kathrein K751121 für das 70cm Band (406-470MHz). Generell gilt bei diesem Antennentypen das alle Maße, also Längen, Durchmesser und Abstände auf Bruchteile von Millimetern exakt stimmen müssen um eine korrekte Funktion zu gewährleisten. Korrosion und Witterungseinflüsse wären fatal. Aus diesem Grund sind Koaxialdipole nur kommerziell wasserdicht und wetterfest in einem GFK-Gehäuse verfügbar. Die gesamte Procom CXL-Serie verwendet für ihre 0dBD-Typen dieses Verfahren.

Standard Mobilantennen

Als Standard für Fahrzeugantennen haben sich λ 1/4-Strahler etabliert. Sie bestehen aus einem robusten Montagefuß und einem einzelnen λ 1/4 langen Strahler aus Federstahl. Solche λ 1/4-Strahler werden im 4m und 2m Band gekürzt, damit die Länge von 1/4 der benötigten Wellenlänge erzielt werden. Das wären grob bei 145MHz ca. 517mm oder bei 174MHz ca. 431mm. Die nutzbare Bandbreite bei korrekter Montage beträgt stolze 10% (15-17MHz im 2m Band). Doch wie verwendet man diese Antenne korrekt? Versucht man diese Antenne als Schwingkreis zu sehen wird es klar: Der Strahler hat die nötige Induktivität. Aber wo ist die Kapazität? Keine Bezugsfläche, kein Gegenpol, also kein Schwingkreis. Erst wenn man diese Antenne wie vorgesehen in eine metallische Fahrzeugkarosserie einbaut wird diese Antenne funktionsfähig. Denn dann bildet die Fahrzeugkarosserie den Gegenpol welcher den λ 1/4-Strahler zur funktionsfähigen Antenne werden lässt. Eine metallische Karosserie ist elementar wichtig für Standard-Mobilantennen mit 1/4 Wellenlänge. Auf Nutzfahrzeugen wie Zugmaschinen, Wohnwagen oder als behelfsmäßige Stationsantenne am Fenster oder auf dem Balkon kann diese Antennenform nicht verwendet werden!

So etwa 3-5 Kundenanfragen im Jahr aus dem Betriebsfunk, sowie 10-15 Kundenanfragen je Monat aus dem CB-Funk die uns erreichen führen genau zu diesem Fehler: Standard-Fahrzeugantennen welche behelfsmäßig als Stationsantenne irgendwo vor Gebäudefenstern oder Balkonen verbaut wurden. Eben aufgrund der falschen Annahme das eine Antenne die auf einem Fahrzeug funktioniert, doch auch als Stationsantenne gehen müsste. Wie im vorherigen Absatz erkennbar kann solch ein λ 1/4 alleine ohne hinreichendem Gegenpol niemals in Resonanz geraten.

λ 1/2 Antennen

λ 1/2 – Strahler sind Sonderfälle. Die entsprechen quasi einem Ur-Dipol dessen Speisepunkt von der Mitte zu dem untersten Ende verschoben wurde. Durch diese Endspeisung eines Dipols erzielt man aber keine 60-70Ohm wie bei mittiger Speisung des Ur-Dipols, sondern erhält eine Resonanz-Impedanz im Bereich 2-4kOhm. Um als Antenne kompatibel zu Funkgeräten und Koaxialkabeln mit 50Ohm verwendet zu werden, benötigt ein λ 1/2-Strahler eine Impedanz-Transformation im Verhältnis 60:1. Für diese 60:1 Transformation verwendet man verschiedene Techniken. Auf niedrigeren Frequenzbändern wie z.B. den CB-Funk werden Spulen zur Transformation auf 50Ohm Anschlussimpedanz genutzt:

Die ML 1-ZR/160 BBMU verwendet eine LC-Anpassung als π-Glied. Die ML 1-ZR/160 BBMU wird ab Werk Amphenol Procom vor abgeglichen auf den Bereich um 160MHz passen zur Hauptzielgruppe der Landwirtschaft. Das LC-Glied in der BBMU kann durch uns aber problemlos auf Ihren 2m Kanal zwischen 145-174MHz abgeglichen werden. Für das 70cm Band gibt es die
λ 1/2-Mobilantenne unter der Bezeichnung MU 9-CXP4. Hier wird eine einfache LC-Anpassung als L-Glied verwendet, welches im Antennenfuß wetterfest vergossen wurde. Da hier die Bauteilwerte von L und C nicht justiert werden können, ist die MU 9-CXP4 in drei Modellen lieferbar welche die Bereiche 380-410, 400-440 oder 430-470MHz abdecken. Im CB-Funk bei 27MHz ist die λ 1/2-Antenne schlichtweg die übliche Standardantenne für Feststationen.

Wozu überhaupt λ 1/2-Strahler als Antennen, wenn die Impedanz aufwändig transformiert werden muss? Nun, die Impedanz auf 50Ohm zu transformieren ist sicherlich nicht einfach. Aber indem man diese Anpassung erhält man eine Antenne mit Vorteilen gegenüber allen anderen Varianten. Wie im ersten Absatz zu λ 1/2 Antennen bildet der λ 1/2-Strahler ein Ur-Dipol ab und funktioniert weitgehend genau so. Wie bei dem symmetrischen Ur-Dipol enthält auch der λ 1/2-Strahler eine in sich funktionsfähige Antenne. Sie benötigt keine zusätzliche Massefläche, ebenso keine Radiale wie Groundplanes. Für den Betriebsfunk auf 2m und dem 70cm Band wird dieser Umstand genutzt, weil die Modelle ML 1-ZR/160 BBMU und MU 9-CXP4 genau dort perfekt funktionieren, wo Standard-Antennen nach λ 1/4-Prinzip nicht verwendet werden können. Auf Nutzfahrzeugen und Maschinen ohne geeignete Metall-Karosserie, auf Wohnmobilen, sowie ebenso an Gebäuden, Fenstern und Balkonen. Ebenso an Schaltschränken für IoT-Anwendungen sind diese Antennen die richtige Wahl. Als Stationsantenne im CB-Funk ist die λ 1/2-Antenne beliebt, da sie nur ein schlankes Rohr mit 5,5m Länge darstellt, im Gegensatz zu einer Groundplane mit ihren drei 2,7m langen Radialen enorm breit ist. Ein weiterer Vorteil der λ 1/2-Antenne ist ihre Schmalbandigkeit. Die Nutzbare Bandbreite beträgt lediglich ca. 3%. Für CB-Funk bei 27MHz also knapp 810kHz und für 2m knapp 4,5MHz. Die Steilheit der Anpassung ist so gut, das störende Großsignale abseits der Resonanzfrequenz enorm gedämpft werden. Durch diese Vorselektion wird der Empfänger enorm entlastet. Bis in die 1980’er Jahre hinein gab es als Magnetfußantenne noch eine weitere Art der Anpassung für λ 1/2-Strahler, welche heute aber nur noch im Amateurfunk verwendet wird. Die sogenannte J-Antenne oder auch J-Pole ist diese Variante, wo ein endgespeister Halbwellendipol mittels Phasenleitung am 50Ohm-Punkt gespeist. Alle Eigenschaften der λ 1/2-Antennen sind identisch, weil sie alle ein endgespeistes Ur-Dipol darstellen. Der Unterschied besteht ausschließlich an der Art der Impedanztransformation 60:1. Gewickelter Transformator, LC-Match als π-Glied, als L-Glied, oder bei der J-Pole mittels Phasenleitung.

λ 5/8-Antenne

λ 5/8-Antennen sind ein Sonderfall von Fahrzeugantennen. Vorwiegend wurden diese in den vergangenen Jahrzehnten im Taxifunk eingesetzt. Ebenso findet man sie noch häufig an Wohnmobilen und landwirtschaftlichen Maschinen ohne geeignete Metallfläche. Ebenso ist es die Standardantenne für Baustellenampeln. Doch aus fachlicher Sicht sind die meisten der bereits aufgezählten Anwendungen dieser Antennen falsche Anwendungen welche auf das Gerücht zurückführen λ 5/8-Strahler hätten die selben Eigenschaften wie λ 1/2-Antennen. Kommen wir also zu den Fakten der λ 5/8-Antennen:

λ 5/8-Strahler wie die abgebildete MH 3-Z von Amphenol Procom benötigen zwingend, ebenso wie λ 1/4- Standard-Antennen, eine metallische Fahrzeugkarosserie rund um den Antennenfuß. Etwa mittig eines PKW-Daches würde die λ 5/8-Antenne einen Gewinn von 3dBD aufweisen. Also eine Effizienz 3dB besser als das Ur-Dipol. Am Heck eines Fahrzeuges, beispielsweise an der Kofferraumklappe eines Taxis wie diese Antenne seit Dekaden genutzt wurde ist eine λ 5/8-Antenne schlechter als eine 1/4-Strahler auf dem Fahrzeugdach. Die übrigen oben erwähnten Nutzungen auf Fahrzeugen mit GFK-Dach oder auf Baustellenampeln können MH 3-Z nicht in Resonanz geraten. Ein Schwingkreis kann die MH 3-Z nur bilden wenn sie auf einer hinreichend großen Metallfläche montiert ist. Erst dann kann sie in den Resonanten Zustand geraten, welcher essentiell für die Funktion einer Antenne ist.

Breitband Antennen

Breitband-Antennen wie die hier abgebildete Discone 7050158 von Procom werden für den Betriebsfunk nicht regulär eingesetzt. Beliebt sind solche Antennen eher im militärischen Bereich sowie im Amateur- und Hobbyfunk. Discones als Rundstrahler und LPDA’s als Richtantennen sind dabei keine Antennen mit optimaler Anpassung an 50Ohm, sondern Kompromissantennen mit eher schlechter Welligkeit, dafür aber über große Frequenzbereiche. So überstreicht die abgebildete Discone Modell 7050158 alle Frequenzbänder zwischen etwa 100-500MHz mit einem VSWR im Bereich 1,8 – 2,6:1. Herzstück der Discone ist hier wieder der Kopf. Er bildet quasi einen koaxialen Übergang von der N-Buchse auf Unendlich ab, weswegen dieser Kopf im professionellen Bereich immer ein Präzisions-Drehteil mit Toleranzen im µm-Bereich ist. Der aufwändige Kopf verursacht hohe Fertigungskosten die mit üblichen Stationsantennen preislich nicht mithalten können. Ebenso haben Breitbandantennen das Problem das alle Großsignale aus z.B. Rundfunkbereichen (UKW, DAB+, DVB-T) ungedämpft das Funkgerät erreichen und so dessen Empfänger überfordern können. Derartige Breitbandantennen machen also nur in sehr speziellen Fällen Sinn.

Wendel- und Teleskopantennen

Vorwiegend für Handfunkgeräte sowie Handscanner gibt es eine riesige Auswahl an sogenannten Aufsteck- oder Geräteantennen. Es handelt sich dabei fast durchweg um verkürzte λ 1/4-Strahler, allerdings nicht zwingend mit 50Ohm Impedanz. So kann man nach der Faustregel vorgehen, das alle Antennen mit genormter Anschlussbuchse (BNC, SMA, FME usw.) wahrscheinlich für Resonanz mit 50Ohm Impedanz vorgesehen sind. Geräteantennen mit proprietärem Anschluss (meist einpoliges Gewinde) können auch für andere Impedanzen als 50Ohm ausgelegt sein. Letztere Antennen sind daher nur an den dazugehörigen Handfunkgeräten verwendbar. Handfunkgeräteantennen mit SMA- oder BNC-Anschluss, sowohl Wendel- als auch Teleskopantennen werden im Hobbyfunkbereich gerne universell für mehrere Geräte verwendet. Doch genau dort kommt es manchmal zu Frust. Warum?

Erinnern wir uns an den Abschnitt zu den λ 1/4-Strahlern. Solche Antennen sind alleine für sich nicht funktionsfähig. Auf den zugehörigen Handfunkgeräten und Scannern arbeiten sie nur halbwegs brauchbar durch den geräteinternen Gegenpol. Das funktioniert Band-abhängig von leidlich bis gut:

Im UHF-Band 400-470MHz hat der λ 1/4-Strahler eine elektrische Länge von ca. 17cm, durch leichte Wendelung bei Gummiantennen häufig auf 12-15cm minimal verkürzt. Zur Schwingkreisbildung braucht es eine Massefläche mit ebenso mindestens 15-17cm Ausdehnung. Diese wird durch die massive Rückwand von Handfunkgeräten im ausreichender Größe bereitgestellt. Daher macht es bei einem 70cm-HFG kaum ein Unterschied für die Reichweite, ob Sie das Gerät auf dem Holztisch im Büro stehen haben oder in die Hand nehmen.

Im 2m VHF-Band 144-174MHz hat der λ 1/4-Strahler eine elektrische Länge von 43-52cm, durch starke Wendelung häufig bei Gummiantennen massiv auf 12-15cm verkürzt. Zur Schwingkreisbildung reicht die Geräterückwand alleine als Massefläche nicht aus. Daher macht es für 2m HFG’s durchaus ein Unterschied ob solch ein HFG lose rumsteht, oder in der Hand gehalten wird. Denn zur Resonanz braucht es die kapazitive Kopplung über die Hand und den Körper des Nutzers. Das selbe geschieht beim abstellen des Handfunkgerätes in einer Ladeschale. Die ausgedehnten GND-Flächen auf der Platine des Ladegerätes ergänzen dann die fehlende Massefläche des Handfunkgerätes.

Bei noch tieferen Frequenzen nimmt dieser Effekt dramatisch zu. Beispielsweise waren Handfunkgeräte für das 4m Band schon immer eher selten aus diesem Grund. Im CB-Funk hingegen gab es immer schon Handfunkgeräte, obwohl Antennenverkürzung und mangelnde Massefläche bei 27MHz hier besonders schlimm ist. Daher haben CB-Handfunkgeräte auch nur eine sehr überschaubare Reichweite.

Der häufige Frust bei Verwendung solcher Geräteantennen in den letzten Jahren auf die Geräte zurück wo diese Antennen häufig mit genutzt werden. Nämlich nicht auf Handfunkgeräten, sondern sehr häufig auf SDR-Sticks.

Warum nur funktioniert diese Antenne auf verschiedenen Handfunkgeräten vernünftig, aber am SDR-Stick überhaupt nicht? Wer diesen Beitrag aufmerksam gelesen hat, dürfte schnell auf die Lösung kommen. Das Alu-Gehäuse des SDR-Sticks ist viel zu klein. Die daran hängende Masse in Form der Abschirmung des USB-Kabels macht da auch nichts besser dran. Generell sollte man zum Funkempfang die Verwendung des SDR-Gehäuses und des USB-Kabels als Antennen-Gegenpol vermeiden. Denn beides, auch das Gehäuse des SDR-Sticks sind mit EMV-Störungen belastet die man keinesfalls im Antennensignal finden möchte. Zur korrekten Funktion eines SDR-Sticks der mehr empfangen soll als seine eigenen EMV-Störungen, braucht es an der Antennenbuchse eine Antenne die in sich resonanzfähig ist ohne sich EMV-verseuchte Masse zu suchen. Optimal wären hier Groundplanes oder J-Poles welche ordentlich und zuverlässig an SDR-Sticks laufen. Möchte man noch mehr aus seinem RTL-SDR oder RSP-1 raus holen: Dünnes Antennenkabel RG174 oder RG316 direkt nahe am SDR-Eingang mit 2-5 Windungen durch einen Ringkern als Mantelstromsperre sowie einen hochwertigen Klappferriten nahe des SDR-Empfängers ans hochwertige USB-Kabel. Ebenso sei der Hinweis gestattet: SDR-Empfänger ab dem RTL-SDR und höherwertiger sind problemlos auch an Feststationsantennen auf dem Dach anschließbar! Minderwertige SDR-Sticks wie günstige DVB-T USB-Sticks hingegen sollte man nicht an Stationsantennen hängen, da die Dynamikregelung da häufig nicht mit kommt.

Aktivantennen

Alle bisher beschriebenen Antennen arbeiten sowohl als Empfangsantenne sowie auch als Sendeantenne. Es gibt aber auch spezielle Antennenversionen die ausschließlich zum Empfang geeignet sind. Passive Empfangsantennen sind beispielsweise Ferritantennen und Rahmenantennen, welche man beispielsweise von Mittelwellenradios her kennt. Daneben und heute immer häufiger an zu treffen sind Aktivantennen. Allgemein bekannt sollte sein das Aktivantennen immer einen Antennenverstärker eingebaut haben. Aber das ist nicht alles was man zu Aktivantennen wissen sollte. Es gibt zwei Gruppen von Aktivantennen die man kennen sollte.

Unsymmetrische Aktivantennen

Unsymmetrische Aktivantennen nutzen ein unsymmetrisches Antennenelement dessen Signal aufbereitet wird. Im oberen Frequenzbereich von 1,5 – 80GHz gehören beispielsweise GPS-Antennen, SAT-TV LNB’s sowie manche Radarsensoren dazu. Die dort benutzten Antennenelemente haben häufig bereits eine passende Impedanz bei 50Ohm, so das häufig nur noch ein rauscharmer Verstärker und eine Selektion.

Am unteren Ende des Funkbereiches werden unsymmetrische Aktivantennen vorwiegend für die Frequenzbänder 50kHz bis 30MHz oder heute häufig auch bis 50 und sogar 108MHz verwendet. Ihre Hauptanwendung liegt aber klar bei Kurzwelle inklusive dem CB-Funk.

Diese Kategorie nutzt ein unsymmetrisches Antennenelement welches als Stab mit 20-250cm Länge oder auch als Fläche ausgeführt sein kann. So nutzt die BCL 1-KA einen 92cm langen Fieberglas-Strahler, während die häufig im Hobbybereich nachgebaute Mini-Whip ein quadratisches Kupferblech mit einigen cm Kantenlänge, alternativ auch eine entsprechende Layerfläche auf der Platine verwendet. Natürlich sind diese Antennenelemente nicht in Resonanz. Auf die exakte Impedanz kommt es auch nicht an. Daher braucht es als erste Schaltungsstufe solcher Aktivantennen um einen aktiven Impedanzwandler, in der Regel mit einem J-FET. Erst nach dieser J-FET Stufe hat man ein geordnetes Spektrum welches im Impedanzbereich zwischen 40-60Ohm stabilisiert ist. Ein nachfolgender Verstärker braucht hier keine übertriebene Verstärkung. Viel wichtiger ist Linearität über einen großen Dynamikbereich.

Unsymmetrische Aktivantennen führen seit Jahrzehnten zu sehr unterschiedlichen Erfahrungen. Nachbauten der Mini-Whip werden günstig im Internet angeboten, was dazu führt das viele Interessenten zuschlagen ohne sich über die Funktion Gedanken zu machen. Man kann solche unsymmetrischen Aktivantennen nicht einfach ans Fenster stellen oder auf dem Dachboden ans Dachgebälk hängen.

Was man zur Funktion wissen sollte ist das Prinzip: Spannungsmessung! Aktivantennen messen hochohmig die Signalspannung am Antennenelement (Strahler oder Fläche). Nun ist es aber so das Spannungsmessung immer ein Bezugspegel braucht. Ohne Bezugspegel keine Spannungsmessung. Die Abschirmung des Koaxialkabels? Autsch! Wie im vorherigen Kapitel zu Geräteantennen und SDR-Sticks erwähnt: Das Koaxialkabel zur Antenne sollte niemals als Antennenelement missbraucht werden. Um zu verhindern das eine Antenne auf der Suche nach einem Gegenpol auf das speisende Koaxialkabel schielt, muss man Ihr eine bessere Bezugsmasse bieten. Das geht bei Aktivantennen wie der BCL 1-KA oder der Mini-Whip auf verschiedenen Arten.

Mindestens: Montage auf einem geerdeten Masten.
Besser: Größere Metallstrukturen auf Flachdächern wie Stahlträger, Feuerleitern usw.
Optimum: Montage auf metallischer Dachfläche (Industriehalle).

Was eine unsymmetrische Aktivantenne bei entsprechender Montage zu leisten vermag, kann man über den WebSDR Server von PA3FWM an der Universität Twente bestaunen.

Ebenso wichtig zu wissen: Unsymmetrische Aktivantennen empfangen sehr viel EMV-Müll. Eine sinnvolle Nutzung ist nur denkbar mit hinreichend Abstand zu Störquellen wie Schaltnetzteilen, Handyladegeräten, LED-Lampen, EDV, Netzwerk, DSL usw. Eine Nutzung in dicht besiedelten Wohngegenden ist häufig nicht störungsfrei möglich.

Symmetrische Aktivantennen

Symmetrische Aktivantennen sind häufig als runde Schleife ausgeführt. Die einfache Schleife im Bild links scheint auf dem ersten Blick Ähnlichkeit mit einem Faltdipol zu haben, aber das täuscht. Viel mehr wirken die Schleifen als große Spule mit einer Windung. Sie soll magnetische Feldschwankungen in Spannungen umsetzen. Neben der einfachen Loop (links) gibt es eine wichtige Modifikation welche auf der rechten Seite des Bildes zu sehen ist. Der Unterschied besteht in der Abschirmung der Schleife. Was zunächst kompliziert aussieht lässt sich tatsächlich sehr einfach aus dickeren, steiferen Koaxialkabeln basteln. Doch zunächst ein mal die Grundlagen, welche für beide Varianten gelten.

Schleifenantennen arbeiten symmetrisch, ähnlich wie Ur-Dipol und Faltdipol benötigen sie keinerlei Massefläche als Gegengewicht. Im Gegensatz zu unsymmetrischen Aktivantennen haben Schleifenantennen also weitaus geringere Anforderungen und Vorbedingungen. Zur Komplettierung dieser Schleifen zur Aktivantenne gehört zunächst eine korrekte Ankoppelungsart, von denen es zwei Varianten gibt.

Als schmalbandige Aktivantenne wird die Schleife in Resonanz betrieben. Hierzu wird ein Kondensator parallel geschaltet, welcher mit der Induktivität der Schleife einen Parallel-Schwingkreis bildet. In diesem Resonanz-Zustand ist die Impedanz extrem hoch und kann dreistellige kOhm erreichen. Die Nutzbare Bandbreite ist jedoch extrem eng und kritisch. Daher wird dieser Betriebsmodus bei Aktivantennen regulär nicht verwendet.

Als breitbandige Aktivantenne braucht die Schleife keine Resonanz. Ihre breitbandige Impedanz an ihren Anschlüssen setzt sich zusammen aus dem Leiter-Widerstand des Schleifenmaterials sowie des induktiven Blindwiderstandes XL der Schleife. Abgesehen vom XL auf höheren Frequenzen ist die Schleifenimpedanz extrem niederohmig und liegt auf tieferen Frequenzen je nach Schleifenmaterial im Bereich deutlich unter 2Ohm. Am Oberen Ende der Kurzwelle wird XL wichtig, denn die steigende Schleifenimpedanz kann nachfolgende Impedanzanpassung zunichte machen und so als Tiefpass wirken. Möchte man solch eine Schleife also primär für CB-Funk oder 10/6m bauen, muss man die Schleifeninduktivität minimieren, oder die Impedanz der Eingangsstufe entsprechend dimensionieren.

Ein weiterer wissenswerter Punkt ist die Pegeltreue: Als breitbandige Schleifenantenne hat sie eine exakt dimensionierte Sensorfläche, nämlich der Fläche innerhalb der Schleife! Magnetfeldlinien außerhalb der Schleife werden ignoriert, während Magnetfeldlinien innerhalb der Schleife eine Spannung erzeugen (Induktion) welche linear der Feldstärke entspricht. Haben sie Beispielsweise eine Schleife mit exakt 1m Durchmesser, dann entspricht z.B. 2,4µV Signalspannung einer Feldstärke von 2,4µV/m! Somit ist es möglich breitbandig und ohne aufwändige Kalibrierung direkt die Feldstärke in µV/m zu vermessen.

Wichtig zu wissen ist auch die Richtwirkung. So weisen symmetrische Aktivantennen ein sehr ähnliches Polar-Pattern wie Dipole auf: Zwei symmetrische, eher breite Maxima und mit 90° Versatz zwei scharf ausgeprägte Minima. Es ist somit bei der Schleifenantenne möglich durch Ausrichtung unerwünschte Störsignale aus zu blenden. Haben Sie den Wunsch, z.B. für den CB-Funk alle Richtungen ab zu decken brauchen sie nicht wirklich einen Rotor dafür. Es reicht zwei Schleifenantennen auf dem Dachboden im 90° Winkel versetzt auf zu stellen und diese nach belieben umschalten zu können. Beispielsweise Ost/West oder Nord/Süd-Antenne.

Die EMV-Empfindlichkeit ist bei der einfachen Schleife zwar geringer als bei unsymmetrischen Aktivantennen, aber dennoch recht hoch. Daher sind einfache Schleifen nicht immer perfekt Nutzbar in dicht besiedelten Wohngebieten.

Geschirmte Schleife

Die Variante der geschirmten Schleife nach dem Bild rechts ist eine Variante welche wir zum störungsfreien Empfang 1-30MHz empfehlen. Diese Variante lässt sich einfach aus dickerem Koaxialkabel bauen und als breitbandige Empfangsantenne betreiben. Die Schirmung stellt sicher das elektrische Felder von der Schleife fern gehalten werden. Somit wird diese Variante sehr unempfindlich gegenüber EMV-Störungen. Sie kann häufig sogar in Wohnräumen und sogar nahe von üblichen Störquellen wie PC’s oder Smart-TV’s störungsarm betrieben werden.

Anwendungen für Aktivantennen

Aktivantennen sind überall dort gefragt wo niedrigere Frequenzbereiche unterhalb von z.B. 50MHz empfangen werden müssen. Unsymmetrische Aktivantennen wie die BCL 1-KA oder auch Varianten der Mini-Whip werden beispielsweise auf Schiffen mit DSC-E Ausrüstung verwendet zum überwachen der DSC-Kanäle. Im Hobbybereich werden unsymmetrische als auch symmetrische Aktivantennen häufig von Kurzwellenliebhabern als auch Funkamateuren verwendet. Als reine Empfangsantennen werden sie im Hobbybereich heute überwiegend an KW-geeignete SDR’s wie der RSP-1A oder Kiwi betrieben.

Eine gänzlich neue Rolle seit etwa 2020 hat die geschirmte Schleife in dem CB-Funk. Während die letzten Jahrzehnte der CB-Funk vorwiegend etwas für absolute CB-Liebhaber war, begann während der Covid-19 Pandemie das Interesse an CB-Funk neu auf zu leben. Zuerst war es wohl für viele der Versuch an Jugenderinnerungen der 1970-1990’er an zu knüpfen. Doch die Zeiten sind heute andere! Viele digitale Goodies die sich in den vergangenen Jahren in der Bevölkerung verbreitet haben sind EMV-Schleudern. USB-Ladegeräte, Powerbanks, dimmbare LED-Streifen und Leuchten sowie PowerLAN verderben CB-Funkern heute das Hobby.

Für CB-Funk in Siedlungen gilt heute: Als Stationsantenne braucht man eine Halbwellen-Antenne (5,5m lang) oder eine Groundplane. Wenn die aber empfangsseitig nur Störungen mit S9++ einfängt, taugt diese nur noch zum senden. Zum Empfang braucht es dann eine Aktivantenne mit geschirmter Schleife. Nur so können Sie den Dynamikumfang Ihres Funkgerätes wieder Nutzen und Stationen sauber empfangen, selbst wenn diese unter S3 liegen.