Elektrische Verlängerung und Verkürzung

Bei Antennen müssen wir zwischen der mechanischen und der elektrischen Länge unterscheiden. Die mechanische Länge ist einfach die tatsächlich messbare Länge des Antennendrahtes oder Strahlers. Die elektrische Länge beschreibt dagegen, wie lang die Antenne bei der betrachteten Frequenz elektrisch wirkt. Sie kann unter anderem durch Spulen und Kondensatoren verändert werden, ohne dass die mechanische Länge des Strahlers geändert werden muss.

Betrachten wir zunächst Antennen in der Nähe ihrer Grundresonanz. Ein Halbwellendipol ist ungefähr bei einer Gesamtlänge von $\lambda/2$ resonant, eine Groundplane mit einem einzelnen vertikalen Strahler ungefähr bei einer Strahlerlänge von $\lambda/4$. Ist eine solche Antenne für die gewünschte Frequenz zu kurz, besitzt ihre Speiseimpedanz einen kapazitiven Blindanteil. Eine Spule kann diesen kapazitiven Blindanteil kompensieren. Man spricht dann von einer elektrischen Verlängerung der Antenne. Ist die Antenne dagegen für die gewünschte Frequenz zu lang, besitzt ihre Speiseimpedanz einen induktiven Blindanteil. Dieser kann mit einem Kondensator kompensiert werden. Man spricht dann von einer elektrischen Verkürzung. Eine Spule verlängert eine Antenne also elektrisch, ein Kondensator verkürzt sie elektrisch. Die mechanische Länge des Strahlers bleibt dabei unverändert.

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Abbildung NEA-19.16.1: Strahlungsmuster und Stromverteilung von Vertikalantennen bei idealer Erde

Ein interessantes Beispiel ist die $\frac{5}{8}\lambda$-Vertikalantenne mit einer Länge von umgerechnet $\qty{0.625}{\lambda}$ (vgl. Abbildung NEA-19.16.2). Der Strahler ist damit mechanisch etwa 2,5-mal so lang wie der einer normalen $\frac{\lambda}{4}$-Groundplane ($\qty{0.25}{\lambda}$). Die größere Strahlerlänge verändert das vertikale Strahlungsdiagramm vorteilhaft, wie in Abbildung NEA-19.16.1 dargestellt: Mehr von der abgestrahlten Leistung wird in Richtung Horizont gebündelt, weniger wird nach oben oder unten abgestrahlt. Das ergibt bei terrestrischen Verbindungen bei gleicher Leistung in der Regel eine höhere Reichweite. Eine Strahlerlänge von etwa $\frac{5}{8} \lambda$ ist für diesen Effekt optimal: Wird der Strahler weiter verlängert, geht wieder mehr Leistung nach oben und unten verloren.

Allerdings ist diese Antenne bei der Strahlerlänge von $\frac{5}{8}\lambda=\qty{0.625}{\lambda}$ nicht resonant. Für Resonanz müsste die Strahlerlänge auf $\frac{\lambda}{2}=\qty{0.5}{\lambda}$ verkürzt oder auf $\frac{3}{4}\lambda=\qty{0.75}{\lambda}$ verlängert werden. Beides würde zu weniger Leistung am Horizont führen. Es empfiehlt sich, wegen der besseren Bündelung die Strahlerlänge bei $\frac{5}{8}\lambda$ zu lassen und die Resonanz elektrisch herzustellen, die Antenne also elektrisch zu verlängern. Eine von mehreren Möglichkeit dazu ist eine Fusspunktspule. Die Spule liefert einen induktiven Blindanteil, der den kapazitiven Blindanteil des $\frac{5}{8}\lambda$-Strahlers kompensiert. Die damit erreichte Impedanz ist sehr ähnlich der Impedanz einer Antenne mit Strahlerlänge $\frac{3}{4}\lambda=\qty{0.75}{\lambda}$.

1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer vertikalen Antenne („mech. 5/8 λ“) mit eingefügter Spule und vier horizontalen Radials („λ/4“).

2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung eines vertikalen Strahlers mit einer am unteren Ende eingefügten Spule. Der Strahler ist mit dem Innenleiter eines nach unten führenden Koaxialkabels verbunden. Vom Außenleiter des Koaxialkabels gehen vier horizontale Leiter (Radials) im Abstand von 90° nach außen ab. Parallel zum vertikalen Strahler gibt es einen nach oben und unten gerichteten Pfeil mit der Beschriftung „mech. 5/8 λ“. Parallel zu einem der Radials ist ein nach innen und außen gerichteter Pfeil mit der Beschriftung „λ/4“ zu sehen.
Abbildung NEA-19.16.2: $\qty{5}{8}\lambda$-Vertikalantenne
AG106: Wozu dient die Spule in dieser Antenne?
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer vertikalen Antenne („mech. 5/8 λ“) mit eingefügter Spule und vier horizontalen Radials („λ/4“).

2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung eines vertikalen Strahlers mit einer am unteren Ende eingefügten Spule. Der Strahler ist mit dem Innenleiter eines nach unten führenden Koaxialkabels verbunden. Vom Außenleiter des Koaxialkabels gehen vier horizontale Leiter (Radials) im Abstand von 90° nach außen ab. Parallel zum vertikalen Strahler gibt es einen nach oben und unten gerichteten Pfeil mit der Beschriftung „mech. 5/8 λ“. Parallel zu einem der Radials ist ein nach innen und außen gerichteter Pfeil mit der Beschriftung „λ/4“ zu sehen.

Umgekehrt kann eine Antenne, die in der Nähe ihrer Grundresonanz mechanisch etwas zu lang ist, durch einen Kondensator elektrisch verkürzt werden (vgl. Abbildung NEA-19.16.3). Der Kondensator liefert einen kapazitiven Blindanteil und kompensiert damit den induktiven Blindanteil des zu langen Strahlers.

AG107: Wozu dient der Kondensator in dieser Antenne?
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer vertikalen Antenne („mech. > λ/4“) mit eingefügtem Kondensator und vier horizontalen Radials („λ/4“).

) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung eines vertikalen Strahlers mit einem am unteren Ende eingefügten Kondensator (zwei horizontale Striche). Der Strahler ist mit dem Innenleiter eines nach unten führenden Koaxialkabels verbunden. Vom Außenleiter des Koaxialkabels gehen vier horizontale Leiter (Radials) im Abstand von 90° nach außen ab. Parallel zum vertikalen Strahler gibt es einen nach oben und unten gerichteten Pfeil mit der Beschriftung „mech. > λ/4“. Parallel zu einem der Radials ist ein nach innen und außen gerichteter Pfeil mit der Beschriftung „λ/4“ zu sehen.
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer vertikalen Antenne („mech. > λ/4“) mit eingefügtem Kondensator und vier horizontalen Radials („λ/4“).

) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung eines vertikalen Strahlers mit einem am unteren Ende eingefügten Kondensator (zwei horizontale Striche). Der Strahler ist mit dem Innenleiter eines nach unten führenden Koaxialkabels verbunden. Vom Außenleiter des Koaxialkabels gehen vier horizontale Leiter (Radials) im Abstand von 90° nach außen ab. Parallel zum vertikalen Strahler gibt es einen nach oben und unten gerichteten Pfeil mit der Beschriftung „mech. > λ/4“. Parallel zu einem der Radials ist ein nach innen und außen gerichteter Pfeil mit der Beschriftung „λ/4“ zu sehen.
Abbildung NEA-19.16.3: Vertikalantenne mit Verkürzungskondensator

Bei einem Dipol lässt sich ebenfalls zunächst anhand seiner mechanischen Länge abschätzen, ob für die gewünschte Grundresonanz eine elektrische Verlängerung oder Verkürzung erforderlich ist.

AG108: Was sollte in jeden Schenkel einer symmetrischen, zweimal 15 m langen Dipol-Antenne eingefügt werden, damit die Antenne im Bereich um 3,6 MHz resonant wird?

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