Theorie und Praxis der Antennenimpedanz

Hier möchte ich versuchen, die Theorie und Praxis der Antennenimpedanz im Detail zu erklären.
Es werden eine Reihe beliebter Varianten mit ihrer charakteristischen Antennenimpedanz besprochen.
Ich werde ganz am Anfang beginnen und vielleicht etwas kompliziert enden.
Eine Antenne ist ein Instrument, das elektrische Wechselspannungssignale in elektromagnetische Felder umwandelt.
Für den Empfang gilt dies natürlich in umgekehrter Weise.

Ideale Antenne?

Fast alle Amateurfunkgeräte sind heute mit einem Koaxialanschluss mit einer Impedanz von 50 Ohm ausgestattet.
Die idealste Antenne für ein durchschnittliches Amateurfunkgerät ist daher ein 50-Ohm-Widerstand.
Natürlich strahlt ein solcher Widerstand überhaupt nicht, aber das Gerät kann mit dieser Impedanz gut umgehen.

Impedanz versus Spannung und Strom

Warum wurde eine „Standardimpedanz“ gewählt?
Dies geschah, damit jeder Hersteller seine Endstufe so konfigurieren kann, dass sie die erforderliche Leistung bei einer Last von 50 Ohm liefert.
In der Formel auf dem Bild können Sie sehen, dass eine Leistung von 2 Watt erzeugt wird.
Schließlich sind 0,2A x 10V = 2Watt.
Angenommen, es sollen 50 Watt geliefert werden, dann ist bekannt, dass die erzeugte Spannung 50 Volt betragen muss, der fließende Strom ist dann 1 Ampere.
Schließlich beträgt die Impedanz 50 Ohm.
> R = U / I — 50 Ohm = 50 Volt / 1 Ampere.
Leistung:> P = U x I — 50 Watt = 50 Volt x 1 Ampere Der Hersteller kann diese Informationen nutzen, um die richtigen Halbleiter für die Ausgangsstufe zu bestimmen.
Denn für jeden Halbleitertyp gibt es bestimmte Spezifikationen.
Dazu gehören maximale Spannung und Stromstärke.
Die obigen Beispiele gehen von einer rein ohmschen Last aus.
Das bedeutet, dass die Spannung und der Strom in Phase sind.
Es gibt also keine Phasendifferenz bei Spannung und Strom.
Bei einer induktiven oder kapazitiven Last gibt es jedoch eine Phasenverschiebung.
Wenn das etwas unverständlich klingt, keine Panik….
Ich werde später darauf zurückkommen.
Gehen Sie auf jeden Fall erst einmal davon aus, dass eine resonante Antenne immer eine ohmsche Last für den Tranceiver ist.

Einzelne Resonanzantennen

Hier finden Sie einige Beispiele für resonante Antennen.
Eine Antenne, die resonant ist, strahlt grundsätzlich ab. Das bedeutet natürlich nicht, dass die Antenne auch die richtige Antennenimpedanz hat.
Schauen Sie sich die Beispiele unten an.
In vielen Fällen hat die Antenne eine andere Impedanz. Dipolantennen und BalUn Konstruktionsbeschreibung

Offene Halbwellendipolantenne

Die Dipolantenne ist eine der bekanntesten Antennen.
Diese Antenne hat eine theoretische Antennenimpedanz von 72 Ohm.
In der Praxis hängt die Antenne oft zu nah an der Erdoberfläche, so dass die Impedanz in Richtung 50 Ohm fällt.
Eine Anpassung ist daher in vielen Fällen nicht notwendig.
Die ideale Höhe ist die Hälfte der Wellenlänge, für die die Antenne geeignet ist.

Geschlossene Halbwellendipolantenne

In der Vergangenheit wurde oft ein geschlossener Dipol verwendet, weil damals häufiger eine symmetrische 300-Ohm-Speiseleitung gewählt wurde.
In diesem Fall ist die Antenne sofort für diese Speisung geeignet.
Ein geschlossener Dipol kann natürlich immer noch verwendet werden, aber die Antennenimpedanz muss dann auf 50 Ohm angepasst werden.

Offene Ganzwellen-Dipolantenne

Eine Vollwellenantenne wird selten in der Mitte gespeist, wie Sie sehen können, ist die Impedanz sehr hoch.
Infolgedessen muss eine große Anpassung vorgenommen werden.

Invertierte V-Dipol-Antenne

Eine invertierte V-Antenne kommt der Impedanz von 50 Ohm von Natur aus sehr nahe, weshalb die Antenne bei Amateuren sehr beliebt ist.
Oft wird ein hoher Speisepunkt gewählt und die Enden verlaufen leicht nach unten.
Achten Sie in jedem Fall darauf, dass die Enden mehrere Meter über dem Boden enden.

Viertelwelle vertikal

Eine vertikale Viertelwelle kann man sich eigentlich als vertikalen Halbwellendipol vorstellen, bei dem die eine Hälfte gerade nach oben zeigt.
Die fehlende Hälfte wird von der Erdoberfläche eingefangen.
Dadurch wird die Impedanz der Antenne erheblich gesenkt.
Wenn die Antenne auf dem Boden platziert wird, ist eine gute Erde von enormer Bedeutung.
Auch die Art des Bodens spielt eine wichtige Rolle.
Wenn die Antenne über dem Boden platziert wird, sollten Radials von mindestens einer Viertel Wellenlänge angebracht werden.
Sie werden sehen, dass die Anzahl der Radials einen großen Einfluss auf die Impedanz der Antenne hat.

Endgespeiste Halbwellenantenne

Eine endgespeiste Drahtantenne ist in letzter Zeit sehr beliebt.
Diese Art von Antenne hat den Vorteil, dass sie am Anfang (oder Ende) gespeist werden kann.
Für viele Menschen ist das sehr praktisch, weil dann kein Speisekabel quer durch den Garten verlegt werden muss.
Ein Nachteil ist die Anpassung, die vorgenommen werden muss.
Der Grund dafür ist, dass die Impedanz bei dieser Antenne sehr hoch ist.
Es gibt viele Möglichkeiten, diese Art von Antenne als Multiband-Antenne zu verwenden.
Ich werde später darauf zurückkommen.

Vierfach-Antenne

Die Quad-Antenne ist auch in vielen Fällen sehr interessant.
Ihr Umfang beträgt eine ganze Wellenlänge.
Daher sind die Seiten kürzer als bei einem Dipol.
Das macht die Platzierung manchmal einfach.
Wie Sie auf dem Bild sehen können, hängt die Impedanz stark von der Form ab.
Wenn Elemente hinzugefügt werden, um der Antenne beispielsweise mehr Gewinn in einer bestimmten Richtung zu verleihen, sinkt die Impedanz.
Eine quadratische Quadrantenantenne mit einem Reflektor und zwei Direktoren hat daher eine Impedanz von etwa 50 Ohm.
Die Polarisation hängt vom Einspeisepunkt ab.
Dies betrifft nur Bodenwellenverbindungen.
Nach der Reflexion in der Atmosphäre lässt sich die Polarisation der Funkwellen nicht mehr vorhersagen.

Strom-/Spannungsverhältnis in der Antenne

In der obigen Abbildung ist das Verhältnis zwischen Strom und Spannung in der Antenne angegeben.
Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ist eigentlich die Impedanz.
Aus dem Bild geht also klar hervor, dass die Impedanz vom Einspeisepunkt abhängt.
Es ist also zu erkennen, dass eine Ganzwellenantenne sowohl in der Mitte als auch an der Spitze eine hohe Impedanz aufweist.
Eine Halbwellenantenne hat eine niedrige Impedanz in der Mitte (wie bei einem Halbwellendipol) und im Gegensatz dazu eine hohe Impedanz an den Enden.
Betrachten Sie zum Beispiel die endgespeiste Halbwellenantenne.
Bisherige Schlussfolgerung.
Eine resonante Antenne bildet eine ohmsche Last, deren Impedanz stark vom Speisepunkt abhängt.

Wann ist eine Antenne nicht resonant?

Dipolantenne zu kurz

Eine Antenne ist grundsätzlich resonant, wenn sie eine Länge von einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen davon hat.
Alle oben genannten Antennen sind gute Beispiele dafür.
Was passiert aber, wenn die Antenne tatsächlich zu kurz für die verwendete Frequenz ist?
In diesem Fall verhält sich die Antenne kapazitiv.
Sie kann als ein Widerstand mit einem Kondensator in Reihe dargestellt werden.

Dipolantenne zu lang

Eine Antenne, die zu lang für die zu bearbeitende Frequenz ist, verhält sich induktiv.
Dies kann als ein Widerstand und eine Spule in Reihe dargestellt werden.

Ohmsche Last

Wenn die Antenne resonant ist.
Also nicht zu kurz und nicht zu lang, dann sehen Spannung, Strom und Leistung wie folgt aus.
An dieser Stelle ist deutlich zu erkennen, dass Spannung und Strom in Phase sind.
Die Spitzen und Tiefpunkte von Strom und Spannung treten zur gleichen Zeit auf.

Induktive Last (Reaktanz)

Wenn die Antenne nicht in Resonanz ist.
Die Antenne ist also zu kurz oder zu lang, dann sehen Spannung, Strom und Leistung wie folgt aus.
An dieser Stelle ist deutlich zu erkennen, dass Spannung und Strom nicht in Phase sind.
Die Spitzen und Tiefen von Strom und Spannung fallen nicht zur gleichen Zeit.
In dieser Abbildung können wir sehen, dass die Spannung dem Strom voraus ist.
Der Strom hinkt also der Spannung hinterher.
Dies geschieht bei einer induktiven Last (zu lange Antenne).
Bei einer zu kurzen Antenne sieht dieses Bild anders aus.
Dann läuft der Strom tatsächlich vor der Spannung.
Die Spannung hinkt also hinterher.
In diesem Bild können Sie deutlich sehen, dass auch mit der Leistung etwas Seltsames passiert.
Ein Antennentuner kann dafür sorgen, dass die Last für den Transceiver wieder zu Ohm wird.
Dies geschieht durch das Hinzufügen von Spulen oder Kondensatoren, die den Blindwiderstand der Antenne kompensieren.
Natürlich geht dabei eine kleine Menge Leistung verloren.

Antennenimpedanz Multiband-Antennen

Alle zuvor erwähnten Antennen sind grundsätzlich nur für eine Frequenz geeignet.
Der durchschnittliche Rundfunkamateur möchte natürlich auf mehreren Bändern arbeiten können.
Daher wäre es auch praktisch, mit einer Antenne auf mehreren Bändern arbeiten zu können.
Es gibt viele Beispiele und Möglichkeiten, dies zu erreichen.
Ich werde einige häufig verwendete Antennen vorstellen.

Beziehung zwischen Einspeisepunkt und Impedanz

Das Bild oben zeigt die Wellen für das 10-, 20- und 40-Meter-Band in einem 20 Meter langen Stück Draht (Antenne).
Der Draht von etwa 20 Metern Länge ist für alle diese Bänder resonant.
Nämlich eine halbe Wellenlänge für das 40-Meter-Band, eine ganze Wellenlänge für das 20-Meter-Band und die doppelte Wellenlänge für das 10-Meter-Band.
Nun müssen Sie noch einen Einspeisepunkt finden, der auf allen Bändern ungefähr die gleiche Impedanz aufweist.
In der Abbildung sind die beiden gemeinsamen Einspeisepunkte durch eine gelbe und eine grüne Linie gekennzeichnet.

End Fed Antenne

Die grüne Linie zeigt den Anfang (oder das Ende) der Antenne an.
An dieser Stelle hat der Speisepunkt also eine sehr hohe Antennenimpedanz für alle Bänder.
Mit einem Anpassungsübertrager kann dieser Einspeisepunkt auf die bekannten 50 Ohm für den Tranceiver eingestellt werden.
Ein sehr bekanntes Beispiel für dieses Prinzip ist die endgespeiste Antenne. Bauanleitung für eine End Fed Antenne

Von Center Fed / Windom Antenne

Die gelbe Linie zeigt einen Einspeisepunkt bei etwa 1/3 des Drahtes an.
An diesem Punkt befindet sich auch eine gemeinsame Impedanz für diese drei Bänder.
Beachten Sie, dass der Sinus in der Grafik in Bezug auf die Impedanz symmetrisch zur X-Achse ist.
(Der Sinus kann also an der X-Achse gespiegelt werden).
Die kombinierte Impedanz an diesem Punkt liegt zwischen 200 und 300 Ohm und hängt von der Höhe der Antenne ab.
Sie müssen also einen BalUn von 1:4 oder 1:6 anwenden, um wieder auf die bekannten 50 Ohm zu kommen.