Wie funktioniert eine Antenne ?

Versuch einer Erklärung !!

Viele Amateurfunker stellen sich die Frage, wie funktioniert eigentlich eine Antenne und warum kann die elektromagnetische Welle in den Raum abgestrahlt werden?

Die Fragestellung ist einfach, die Antwort ist jedoch nicht so einfach!

 

 


 

Zuerst aber zum Begriff Antenne:

  • Eine Antenne ist eine technische Anordnung zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischen Wellen.
  • Als Sendeantenne wandelt sie „leitungsgebundene“ elektromagnetische Wellen in „Freiraumwellen“ um.
  • Als Empfangsantenne wandelt sie die als „Freiraumwellen“ ankommenden elektromagnetischen Wellen zurück in „leitungsgebundene“ elektromagnetische Wellen.
  • Wesentlich dafür ist die Transformation des Wellenwiderstandes der Leitung durch die Antenne  in den Wellenwiderstand des Vakuums.

Ganz allgemein und einfach ausgedrückt kann man die Antenne als Koppelelemente zwischen „geführten“ und „ungeführten“ elektromagnetischen Wellen, d. h. als Wandler zwischen Leitungswellen und Freiraumwellen, auffassen.

 


 

 

Newton,  Huygens,  Maxwell und Welle – Teilchen – Dualismus

Die Frage nach der Natur des Lichtes und somit die der elektromagnetischen Wellen  hat die Wissenschaft seit vielen Jahrhunderten beschäftigt.

Isaac Newton“ und „Christian Huygens“ hatten etwa zur selben Zeit zwei unterschiedliche Theorien über das Licht:

„Newton“ hielt das Licht für einen Strom winziger Teilchen, während „Huygens“ es für eine Welle hielt.

Die damalige Theorie der Ausbreitung von Lichtwellen benötigte aber einen Träger und so führte schon „Huygens“ den „elastischen Äther“ ein, dessen Teilchen die Schwingungen ausführen.

 

In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts vertraten Wissenschaftler wie:

James Clerk Maxwell“ die Auffassung, dass Licht eine „elektromagnetische Welle“ sei immer größeren Boden und die Erkenntnis, dass in der Lichtwelle das „elektromagnetische Feld“ schwingt, machte auch einen Äther überflüssig !

Licht ist also eine Welle, die kein Medium benötigt, um sich auszubreiten!

Anfang dieses Jahrhunderts verdeutlichten aber einige Experimente, dass auch die Teilchentheorie des Lichtes seine Berechtigung hat!

Die Quantenmechanik hat beide Modelle verbunden.

Man spricht heute daher von einem „Welle-Teilchen-Dualismus“ des Lichtes.

Quelle: Wikipedia

 


 

 

Schwingkreis

Schaltet man eine Spule und einen Kondensator zusammen, so erhält man einen resonanzfähigen und geschlossenen elektrischen Schwingkreis.

Dazu zur Erinnerung die „Thomsonschen Schwingungsgleichung“ : 

  • Die Energie wird, auf der Basis des Induktionsprinzips zwischen dem „elektrische Feld“ des Kondensators und dem „magnetischen Feld“ der Spule periodisch ausgetauscht.
  • Die Stromstärke und die Spannung schwanken im Schwingkreis versetzt zueinander.
  • Wenn der Strom maximal ist, dann ist die Spannung Null und umgekehrt.
  • Eine Antenne ist nichts anderes, als eine solche „Schwingkreis-Schaltung“, deren Kondensator jedoch „geöffnet“ und deren Spule „ausgewickelt“ ist.
  • Eine Dipolantenne ist mit anderen Worten ein einfacher Draht, der als Schwingkreis mit einer Kapazität und einer Induktivität wirkt.

Quelle: Wikipedia

Zum besseren Verständnis:

vom „geschlossenen“ zum „geöffnetem“ Schwingkreis:

schematisch schwingkreis

Quelle: Internet

  • links:      Schwingkreis geschlossen, keine Abstrahlung in den Raum möglich!
  • rechts:   Schwingkreis geöffnet, Abstrahlungen der „elektrischen Wellen“ und „magnetischen Wellen“ in den Raum, die sich in nach ca. einer Wellenlänge zu einer gemeinsamen „elektromagnetischen Welle“ vereinen.

 


 

 

Elektrisches Feld und magnetisches Feld

 

  • Das elektrische Feld ist ein physikalisches Feld, das durch die „Coulombkraft“ auf elektrische Ladungen wirkt.
  • Das elektrische Feld ist über die „maxwellschen Gleichungen“ und die „spezielle Relativitätstheorie“ eng mit dem „magnetischen Feld“ verknüpft.
  • Das magnetische Feld übt auf bewegte elektrische Ladungen eine Kraft aus, die so genannte „Lorenzkraft.“
  • In der speziellen Relativitätstheorie werden seine Vektorkomponenten, daher untrennbar mit denen des magnetischen Feldes, zu einem „Tensor“ ( da ist ein mathematisches Objekt  ) zusammengefasst.

Je nachdem, in welchem Bezugssystem man sich als Beobachter befindet, d.h. in welcher relativen Bewegung zu eventuell vorhandenen Raumladungen, wird so über die „Lorenz-Transformation“ das elektrische Feld“ in ein magnetisches Feld“ transformiert und umgekehrt.

Als „elektromagnetische Welle“ bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen Feldern“ und „magnetischen Feldern“. ( Fernfeld )

 

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Quelle: Internet

 


 

 

Polarisation der elektromagnetischen Welle

  • Die Polarisation gibt in der Funktechnik die Lage des elektrischen Feldes“ einer „elektromagnetischen Welle“ in Bezug zur Erdoberfläche an.
  • Betrachtet man nun die Feldkomponenten dieser elektromagnetischen Wellen, so spricht man von „horizontaler Polarisation“ oder „vertikaler“ Polarisation, je nachdem, wie das „elektrische Feld“ im Bezug zur Erdoberfläche verläuft.
  • Ist ein Dipol (Antenne) horizontal montiert, so liegt das elektrische Feld horizontal“               ( parallel zur Erdoberfläche ) dann spricht man von einer horizontalen Polarisation.
  • Ist ein Dipol (Antenne) vertikal montiert, so liegt das „elektrische Feld vertikal“                        ( rechtwinklig zur Erdoberfläche ) dann spricht man von einer „vertikalen Polarisation“.


polarisationhorizontal
polarisation vertikal

Quelle: HB9LCD


 

 

Entstehung der elektromagnetischen Welle

 

  • Dargestellt ist die Entstehung des „E – Feldes“ ( elektrisches Feld ) und des                                   „B -Feldes“ ( magnetisches Feld )
  • Deutlich sieht man wie das E – Feld ( bei 0° und 180° ) das B – Feld ( bei 90° und 270° ) von der Antenne abstösst und umgekehrt.
  • „E – Feld“ und „B – Feld“ sind miteinander eng verknüpft und verbinden sich, nach getrennter Entstehung auf der Antenne ( Nahzone ), nach ca. einer Wellenlänge zur „elektromagnetischen Welle“. ( Fernfeld )

 

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Quelle: HB9LCD

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Quelle: HB9LCD

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Quelle: HB9LCD

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Quelle: HB9LCD

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Quelle: HB9LCD

 

Räumliche Darstellung der elektromagnetischen Welle

 

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Quelle: Internet


 

 

Antenne

Nahzone,  Zwischenzone,  Fernfeld

 

Nahzone 

  • In der reaktiven „Nahzone“ dominieren die E – Felder und die B – Felder, die als „Blindenergie“ im Raum gespeichert werden und keine Energie abstrahlen!

 

Zwischenzone

  • Außerhalb der Nahzone beginnt eine Zwischenzone, in der sich die durch die Spannungen und Ströme induzierten Wirbelfelder überlagern.
  • Die Wechselwirkungen sind komplex und der Intuition und dem Vorstellungsvermögen kaum zugänglich !
  • In der Zwischenzone nähern sich die Phasen von elektrischen Feld und magnetischem Feld einander an.

 

Fernfeld

  • Im Fernfeld, d.h. in ein paar Wellenlängen Abstand von der Antenne liegt die abgestrahlte Leistung als phasengleiche „elektromagnetische Welle“ vor.
  • Im Gegensatz zum reaktiven Nahfeld wird die gespeicherte Blindenergie im Fernfeld zur „Wirkleistung“ zusammengeführt und in den Raum abgestrahlt.

 

 

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Quelle: HB9LCD

E – Feld und B – Felder sind jetzt vereint, aber 90° zueinander verdreht ( Wirkleistung )

 

 


 

Briefmarke Deutsche Bundespost

Entdeckung der elektromagnetischen Wellen,  1983

 

briefmarke

 

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