Wo das hochfrequente Wechselspannungssignal herkommt und wie es die Antenne erreicht, wisst ihr jetzt. Jetzt ist es bei der Antenne angekommen und die ist es wert, ihr ein eigenes Kapitel zu widmen. Also folgt dem Signal in den Strahler hinein.
Die Basis für ein Sendesignal
Beim Senden entsteht im Antennensystem eine elektromagnetische Schwingung. Die Antenne bildet dabei ein schwingungsfähiges System, in dem Energie zwischen elektrischem und magnetischem Feld ausgetauscht wird. Ist die Antenne resonant, entspricht die Frequenz des Sendesignals ihrer Eigenfrequenz. Dadurch können sich Strom- und Spannungsverteilung besonders günstig ausbilden und die Antenne kann die zugeführte Hochfrequenzenergie besonders wirksam abstrahlen. Das ist ähnlich wie bei einer Schaukel, die immer genau im richtigen Moment angeschubst wird, sodass sie immer stärker schwingt.
Was sind elektrische und magnetische Felder?
Habt ihr ein Metall, beispielsweise einen Leiter wie eine Antenne, an den ihr eine Spannung anlegt, dann verändert ihr das elektrische Potenzial dieses Leiters gegenüber seiner Umgebung. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, da nun eine Potenzialdifferenz zwischen dem Leiter und seiner Umgebung besteht. Das kann schlicht die Umgebung, die Erde oder auch ein anderer Leiter sein.
Das elektrische Potenzial lässt sich mit dem Wasserstand an einem Staudamm vergleichen. Die Höhe der Wasseroberfläche entspricht dabei dem Potenzial. Solange der Staudamm geschlossen ist, fließt kein Wasser. Trotzdem besteht aufgrund des unterschiedlichen Wasserstands auf beiden Seiten eine Kraft, die das Wasser fließen lassen würde. Öffnet man den Staudamm, fließt Wasser, bis sich die Wasserstände angeglichen haben. Ist das erreicht, ist das Potenzial auf beiden Seiten wieder gleich. Der Unterschied zwischen den beiden Wasserständen entspricht dabei der elektrischen Spannung – also der Potenzialdifferenz. Würde Wasser fließen, ist das der Strom.
Fließt aufgrund dieser Spannung ein Strom durch den Leiter, bewegen sich elektrische Ladungen. Diese Ladungsbewegung erzeugt zusätzlich ein magnetisches Feld, das sich ringförmig um den Leiter ausbildet.
Vereinfacht gesagt: Die Spannung beziehungsweise die Ladungstrennung erzeugt das elektrische Feld, der fließende Strom das magnetische Feld.
Bei Wechselspannung ändern sich Spannung und Strom ständig – und damit auch das elektrische und das magnetische Feld. Das sich verändernde Magnetfeld erzeugt durch Induktion wiederum ein elektrisches Feld. Umgekehrt erzeugt auch ein sich veränderndes elektrisches Feld ein Magnetfeld. Diese Wechselwirkung bildet die Grundlage für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.
Fassen wir zusammen:
Liegt an einem Leiter eine Spannung an, entsteht durch die Potenzialdifferenz zur Umgebung ein elektrisches Feld. Fließt zusätzlich Strom, erzeugen die bewegten Ladungen ein Magnetfeld um den Leiter. Bei Wechselspannung ändern sich Spannung und Strom ständig – und damit auch das elektrische und das magnetische Feld. Das sich verändernde Magnetfeld erzeugt wiederum durch Induktion ein elektrisches Feld.
Länge, Bauform und Resonanz
Ob eine Antenne bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz ist, hängt vor allem von ihrer Länge und ihrer Bauform ab. Bei einer einfachen geraden Antenne steht die benötigte Länge in einem festen Verhältnis zur Wellenlänge des Funksignals. So können beispielsweise Antennen mit einer Länge von λ/4 oder λ/2 resonant sein. Das wären im CB-Funk 2,75 oder 5,5 Meter, eher unpraktische Längen.
Neben der physikalischen Länge spricht man deshalb auch von der elektrischen Länge einer Antenne. Sie beschreibt, welchem Anteil der Wellenlänge die Antenne elektrisch entspricht. Durch die Bauform lässt sich dieses Verhältnis verändern. Spulen, kapazitive Elemente, der Durchmesser des Antennenstabes oder die Anordnung der Leiter beeinflussen die elektrischen Eigenschaften der Antenne. Dadurch kann beispielsweise eine physikalisch kürzere Antenne elektrisch wie eine längere Antenne wirken und resonant sein.
Entscheidend für die Resonanz ist daher nicht allein die mit dem Zollstock (= Gliedermaßstab) gemessene physikalische Länge, sondern die elektrische Länge, die sich aus der physikalischen Länge und der Bauform der Antenne ergibt. So kann die Antenne physikalisch kürzer gehalten werden, während ihre elektrische Länge weiterhin der für die gewünschte Frequenz erforderlichen Länge entspricht.
Der λ/2-Dipol – Die Mutter aller Antennen
Der Dipol gehört zu den einfachsten und zugleich wichtigsten Antennenformen. Viele andere Antennen lassen sich in ihrer Funktionsweise auf ihn zurückführen. Ein klassischer Halbwellendipol (λ/2-Dipol) besteht aus zwei voneinander getrennten Strahlern, die jeweils ungefähr ein Viertel der Wellenlänge lang sind. Zusammen besitzen sie somit eine elektrische Länge von einer halben Wellenlänge.
Die beiden Strahler werden in der Mitte des Dipols mit dem Funksignal gespeist. Bei der Verwendung eines Koaxialkabels wird der Innenleiter mit der einen Dipolhälfte und der Außenleiter beziehungsweise Schirm mit der anderen Dipolhälfte verbunden. Die beiden Dipolhälften selbst besitzen dabei keine direkte leitende Verbindung miteinander. Die Funksignal-Wechselspannung des Funkgeräts liegt zwischen ihnen.
Bei Resonanz bildet sich entlang des Dipols eine charakteristische Verteilung von Strom und Spannung aus. In der Mitte befindet sich das Strommaximum und an den beiden offenen Enden das Spannungsmaximum. An den Enden kann kein Strom weiterfließen, weshalb der Strom dort gegen null geht. Gleichzeitig können sich dort elektrische Ladungen ansammeln, wodurch die Spannung ihr Maximum erreicht.
Die Speisung in der Mitte ist besonders günstig. Dort ist das Verhältnis von Spannung zu Strom vergleichsweise klein. Ein theoretischer, frei im Raum befindlicher λ/2-Dipol besitzt am Speisepunkt eine Impedanz von ungefähr 73 Ohm. Damit liegt er bereits relativ nahe an den in der Funktechnik üblichen 50 Ohm. In der Praxis wird die Impedanz allerdings unter anderem durch Aufbau, Höhe über dem Boden und die Umgebung beeinflusst.
Ein weiterer Vorteil des Dipols ist sein symmetrischer Aufbau. Beide Strahler bilden gemeinsam die Antenne und dienen sich gegenseitig als Gegenpol. Anders als beispielsweise bei einer λ/4-Antenne (siehe weiter unten) benötigt der Dipol deshalb grundsätzlich keine zusätzliche leitende Massefläche als Gegenpol (auch als Gegengewicht oder Spiegel bezeichnet).
Die Länge von λ/2 darf dabei nicht zu wörtlich als reine mechanische Länge verstanden werden. Entscheidend für die Resonanz ist die elektrische Länge der Antenne. Durch Leiterdurchmesser, Bauform, verwendete Materialien und die Umgebung kann die tatsächlich benötigte physikalische Länge von λ/2 abweichen. Ein realer Halbwellendipol ist deshalb üblicherweise etwas kürzer als die rechnerische halbe Wellenlänge.
Für CB-Funk bei etwa 27 MHz beträgt die Wellenlänge rund 11 Meter. Ein λ/2-Dipol wäre rechnerisch also ungefähr 5,5 Meter lang, mit jeweils etwa 2,75 Metern pro Dipolhälfte. Die genaue Länge wird anschließend so abgestimmt, dass die Antenne auf der gewünschten Frequenz in Resonanz ist.
Der λ/2-Dipol verbindet damit einen sehr einfachen Aufbau mit hohem Wirkungsgrad und gut berechenbaren Eigenschaften. Aus diesem Grund ist er nicht nur eine praktisch gut funktionierende Antenne, sondern auch ein ideales Grundmodell, um die Funktionsweise von Funkantennen zu verstehen.
Vom Dipol zum senkrechten Strahler
Der λ/2-Dipol besteht aus zwei elektrisch zusammenwirkenden Strahlerhälften. Beide bilden gemeinsam das Antennensystem und ermöglichen die für die Abstrahlung erforderliche Strom- und Spannungsverteilung. Dabei bilden die Hälften gegenseitig ihren Gegenpol. Deshalb benötigt ein frei aufgehängter Dipol keine Fahrzeugkarosserie oder andere Masseflächen als zusätzlichen Gegenpol.
Bei Fahrzeugantennen möchte man dagegen normalerweise nur einen senkrechten Strahler oberhalb des Fahrzeugs haben, also nur eine Hälfte des Dipols. Je nach Antennentyp wird der notwendige zweite Teil des Antennensystems unterschiedlich realisiert. Genau hier liegt ein wesentlicher Unterschied zwischen den verschiedenen Bauformen.
Damit kommen wir zu den drei üblichen Antennentypen, die ihr in den Shops findet: λ/4, λ/2 und 5/8-λ-Antennen. Was bedeuten diese Bezeichnungen und wo liegen die Unterschiede?
λ/4-Antenne
Der λ/4-Strahler benötigt einen Gegenpol. Er entspricht vereinfacht einer Hälfte des λ/2-Dipols. Der senkrechte Strahler bildet die eine Seite des Antennensystems, die Fahrzeugkarosserie die andere. Der Innenleiter des Koaxialkabels wird am Antennenfuß mit dem Strahler verbunden, der Außenleiter mit der Karosserie. Die Karosserie ist damit nicht lediglich eine mechanische Befestigung oder eine elektrische Masse, sondern ein funktionaler Bestandteil des Antennensystems.
λ/2-Antenne
Ein λ/2-Strahler funktioniert anders. Der Strahler selbst besitzt bereits eine elektrische Länge von ungefähr einer halben Wellenlänge. Er benötigt deshalb keine Massefläche wie die λ/4-Antenne oder 5/8-λ-Antenne. Allerdings lässt sich ein λ/2-Strahler nicht einfach mit dem 50-Ohm-Koaxialkabel verbinden. An seinem Ende besitzt er eine sehr hohe Impedanz. Im Antennenfuß befindet sich deshalb eine Anpassungsschaltung, beispielsweise eine Spule beziehungsweise ein Transformationsglied, welche die hohe Impedanz des Strahlers an die wesentlich niedrigere Impedanz des Koaxialkabels anpasst.
Hochwertige Konstruktionen versuchen, diese Verhältnisse gezielt zu kontrollieren. Lest ihr in der Beschreibung „Kein Gegenpol erforderlich“, bedeutet das bei einer λ/2-Antenne daher: Sie benötigt keine Massefläche. Daher ist sie insbesondere auch für Boote und andere Fahrzeuge aus Kunststoffen, GFK usw. geeignet.
5/8 λ-Antenne
Der 5/8-λ-Strahler benötigt in seiner klassischen Ausführung einen Gegenpol beziehungsweise eine Massefläche. Seine elektrische Länge von 5/8 λ führt außerdem dazu, dass seine Impedanz am Fuß nicht direkt zu einem 50-Ohm-Koaxialkabel passt. Deshalb befindet sich im Antennenfuß zusätzlich eine Anpassungsschaltung, meist mit einer Spule. Bei einer Fahrzeugantenne übernimmt wiederum die Karosserie die Funktion des Gegenpols.
Bandbreite
Noch ein Wort zur Bandbreite. Mit der Bandbreite bezeichnet man den Frequenzbereich, innerhalb dessen eine Antenne bestimmte gewünschte Eigenschaften einhält. Bei CB-Funk wird häufig die Bandbreite im Zusammenhang mit dem Stehwellenverhältnis betrachtet, also der Frequenzbereich, in dem das Stehwellenverhältnis unter einem bestimmten Grenzwert bleibt. Je breitbandiger eine Antenne, desto mehr Frequenzen kann sie gut abdecken.
Im CB-Funk haben wir eine Bandbreite von ca. 840 kHz (26,565 bis 27,405 MHz). Im deutschen CB-Funk stehen 80 Kanäle mit einem Kanalraster von 10 kHz zur Verfügung; die hier betrachteten Sprachkanäle können mit FM genutzt werden. Es gibt tatsächlich Antennen, die nicht den ganzen Bereich optimal abdecken.
- Kanäle 1–40: 26,965–27,405 MHz
- Kanäle 41–80: 26,565 – 26,955 MHz
Die Kanäle 41 bis 80 wurden nach den ersten 40 Kanälen freigegeben und liegen von den Frequenzen darunter. Wer eher die ersten 40 Kanäle nutzt, sollte eine Antenne wählen, deren Frequenzbereiche dort liegen.
Antennen können üblicherweise noch in Grenzen eingestellt werden (mehr dazu im dritten Teil zum Stehwellenverhältnis), so dass auch eine Antenne mit schmalerer Bandbreite gut funktionieren kann, sofern sie euren gewählten Kanal und dessen Frequenz abdeckt. So liegt der bei Offroadern gern genutzte Kanal 16 (4×4=16) bei 27,155 MHz in Deutschland.
Als Daumenregel kann gesagt werden: Je stärker eine Antenne elektrisch verkürzt wird, desto geringer ist in der Regel ihre Bandbreite.
Die drei häufigsten CB-Funk-Antennentypen
Damit ergeben sich drei grundsätzlich unterschiedliche Fälle:
| Merkmal | λ/4-Strahler | λ/2-Strahler | 5/8-λ-Strahler |
|---|---|---|---|
| Typische Ausführung am Fahrzeug | meist verkürzt | praktisch immer deutlich verkürzt | praktisch immer deutlich verkürzt |
| Technische Realisierung der Speisung | Innenleiter zum Strahler, Außenleiter zur Fahrzeugkarosserie | Innenleiter über Anpassnetzwerk zum Strahler; zweite elektrisch wirksame Seite wird durch die Antennenkonstruktion realisiert | Innenleiter über Anpassnetzwerk zum Strahler, Außenleiter zur Fahrzeugkarosserie |
| Gegenpol bei Fahrzeugmontage | Fahrzeugkarosserie bzw. geeignete leitende Fläche | keine große Fahrzeugflächen erforderlich; konstruktiv innerhalb des Antennensystems berücksichtigt | Fahrzeugkarosserie bzw. geeignete leitende Fläche |
| Bedeutung der Karosserie | wesentlicher Bestandteil des Antennensystems | wesentlich weniger entscheidend | wesentlicher Bestandteil des Antennensystems |
| Fußpunktimpedanz der idealisierten Grundform | etwa 36 Ω über idealer Groundplane | sehr hochohmig, typischerweise im kΩ-Bereich | ohne Anpassung nicht direkt für 50 Ω geeignet |
| Anpassung an 50 Ω (macht bereits der Hersteller) | relativ einfach | zwingend erforderlich | erforderlich |
| Eignung für GFK-/Kunststoffaufbauten | nur mit geeignetem Gegenpol | sehr gut | nur mit geeignetem Gegenpol |
| Abstrahlung idealisiert | gute flache Vertikalabstrahlung | typische vertikale Rundstrahlcharakteristik | unter idealen Bedingungen flacherer Abstrahlwinkel möglich |
| Polarisation bei senkrechter Montage | vertikal | vertikal | vertikal |
| Abhängigkeit von korrekter Fahrzeugmontage | hoch | geringer hinsichtlich der Groundplane | hoch |
Vor- und Nachteile
| Strahlertyp | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|
| λ/4-Strahler |
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| λ/2-Strahler |
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| 5/8-λ-Strahler |
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Der Montageort
Neben der Wahl des Antennentyps hat auch der Montageort am Fahrzeug erheblichen Einfluss darauf, wie gut eine CB-Funk-Antenne funktioniert. Dabei geht es nicht nur darum, die Antenne möglichst hoch zu montieren. Der Montageort beeinflusst sowohl die elektrische Abstimmung der Antenne als auch ihre Abstrahlung.
Grundsätzlich sollte eine Antenne möglichst hoch und frei montiert werden. Je weniger sich größere Metallteile unmittelbar neben dem Strahler befinden, desto weniger wird das elektromagnetische Feld der Antenne beeinflusst. Eine Montage auf dem Fahrzeugdach bietet deshalb meist günstige Voraussetzungen. Der Strahler befindet sich weitgehend frei und kann bei einer λ/4- oder 5/8-λ-Antenne gleichzeitig eine große leitende Dachfläche als Massefläche beziehungsweise Gegenpol nutzen.
Bei Geländewagen und Reisefahrzeugen ist eine Dachmontage allerdings nicht immer möglich oder sinnvoll. Dachzelte, Hubdächer, Dachträger oder die Gesamthöhe des Fahrzeugs können dagegen sprechen. Deshalb werden CB-Antennen häufig an der Bull Bar, am Kotflügel, am Reserveradträger oder seitlich am Fahrzeug montiert. Solche Montageorte können gut funktionieren, stellen aber andere Bedingungen für die Antenne her.
Befinden sich große Fahrzeugteile unmittelbar neben dem Strahler, beeinflussen sie dessen elektromagnetisches Feld. Dadurch kann sich die Abstrahlung verformen. Eine senkrechte Antenne, die unter idealen Bedingungen in der horizontalen Ebene annähernd gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlt, kann dann bestimmte Richtungen bevorzugen oder benachteiligen. Bei einer Antenne auf der vorderen Bull Bar befindet sich beispielsweise ein großer Teil des Fahrzeugs hinter beziehungsweise neben dem Strahler. Man könnte vereinfacht von einer Abschattung sprechen, tatsächlich handelt es sich aber um eine Beeinflussung des gesamten elektromagnetischen Feldes durch die leitenden Fahrzeugteile.
Auch die Höhe des freien Strahlers spielt eine Rolle. Wird eine lange Antenne beispielsweise tief am Kotflügel befestigt, sodass ein erheblicher Teil des Strahlers neben der Karosserie verläuft, sind die Einflüsse größer, als wenn sich fast der gesamte Strahler oberhalb des Fahrzeugdachs befindet. Als einfache Faustregel gilt deshalb: Je mehr vom Strahler frei über die Fahrzeugkontur hinausragt, desto günstiger sind in der Regel die Bedingungen für die Abstrahlung.
Auch der entstehenden Gegenpol ist wichtig
Bei Antennen, die eine Massefläche als Gegenpol benötigen, kommt ein weiterer Punkt hinzu. Eine mechanisch stabile Befestigung allein reicht nicht aus. Der Antennenfuß beziehungsweise der Außenleiter des Koaxialkabels muss eine Hochfrequenz-taugliche elektrische Verbindung zur vorgesehenen Massefläche besitzen. Lack, Pulverbeschichtungen, Kunststoffteile oder schlecht leitend miteinander verbundene Karosserieteile können dazu führen, dass eine vermeintlich gute Montagefläche elektrisch gar keinen geeigneten Gegenpol bildet. Bei einer entsprechend konstruierten λ/2-Antenne ist dieser Punkt weniger kritisch, weil sie keine große leitende Fahrzeugfläche als Gegenpol benötigt.
Der Montageort wirkt sich außerdem auf die Fußpunktimpedanz und die Resonanzfrequenz aus. Eine Antenne, die frei stehend korrekt abgestimmt wurde, kann sich nach der Montage unmittelbar neben Karosserie, Dachträger oder anderen Metallteilen anders verhalten. Deshalb sollte die endgültige Abstimmung einer Fahrzeugantenne immer nach der vollständigen Montage am vorgesehenen Einbauort erfolgen. Auch Zubehör in unmittelbarer Nähe der Antenne kann dabei eine Rolle spielen.
Für die Wahl des Montageortes ergibt sich damit eine einfache Reihenfolge: möglichst hoch, möglichst frei und – wenn der Antennentyp eine Massefläche benötigt – mit einem geeigneten Gegenpol. Eine elektrisch perfekte Antenne kann ihre theoretischen Eigenschaften nur dann ausspielen, wenn auch ihre Umgebung stimmt.
Die praktisch bequemste Position am Fahrzeug ist deshalb nicht zwangsläufig die funktechnisch beste. Gerade bei Geländewagen muss häufig ein Kompromiss zwischen Abstrahlung, Fahrzeughöhe, Schutz der Antenne, mechanischer Belastung und Alltagstauglichkeit gefunden werden. Eine Antenne auf der Bull Bar kann beispielsweise hervorragend vor Schäden am Dach schützen und leicht erreichbar sein, während eine Dachmontage aus funktechnischer Sicht meist die günstigeren Voraussetzungen bietet.