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Traps

Multibandantennen, die gezielt auf mehreren Bändern resonant sind, haben wir bereits kennengelernt, z. B. die endgespeiste Antenne mit 1:49-Transformator. Kommen wir wieder auf unser Beispiel aus dem Abschnitt „Strom- und Spannungsspeisung II“ zurück: Ein mittengespeister Halbwellendipol kann neben seiner Grundfrequenz grundsätzlich auch auf ungeradzahligen Vielfachen dieser Frequenz resonant sein. So besitzt beispielsweise ein für das $\qty{80}{\meter}$-Band ausgelegter Dipol mit einer Grundfrequenz von $\qty{3,5}{\mega\hertz}$ weitere Resonanzen näherungsweise bei $\qty{10,5}{\mega\hertz}$ und $\qty{17,5}{\mega\hertz}$.

Bei geradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz, beispielsweise bei $\qty{7}{\mega\hertz}$ oder $\qty{14}{\mega\hertz}$, liegt am mittigen Speisepunkt dagegen ein Stromminimum und damit eine hohe Impedanz. Diese Frequenzen sind bei einem einfachen mittengespeisten Dipol daher nicht ohne Weiteres nutzbar. Eine Möglichkeit, zusätzliche Resonanzen gezielt auf solchen Frequenzen zu erzeugen, ist der sogenannte Sperrkreis-Dipol, der auch als Trap-Dipol bezeichnet wird.

Bei einem Sperrkreis-Dipol befindet sich in jeder Dipolhälfte mindestens ein Parallelschwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator. Einen solchen Schwingkreis bezeichnet man als Trap (englisch für „Falle“). Ein Parallelschwingkreis ist bei seiner Resonanzfrequenz hochohmig (vgl. Abbildung NEA-19.27.1). Er wirkt dann als Sperrkreis und verhindert weitgehend, dass Strom in den weiter außen liegenden Teil des Dipols fließt. Dadurch kann derselbe Dipol auf mehreren Frequenzbändern unterschiedliche elektrische Längen besitzen.

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „f“ und einer vertikalen Achse „Z“; in der Mitte eine schmale Kurve mit umgekehrter V-Form, deren Anfang und Ende bis in die Nähe der Nulllinie reichen. 2) Ausführliche Beschreibung: Ein Koordinatensystem hat eine horizontale Achse mit der Beschriftung „f“ und eine vertikale Achse mit der Beschriftung „Z“. In der Mitte gibt es eine schmale Kurve mit umgekehrter V-Form, deren Anfang und Ende bis in die Nähe der Nulllinie reichen. Es sind keine weiteren Beschriftungen oder Maße vorhanden.
Abbildung NEA-19.27.1: Qualitativer Frequenzgang eines Parallelschwingkreises (Sperrkreis)
AG109: Welche Antennenart ist hier dargestellt?
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und links und rechts jeweils einer Spule und einem Kondensator parallel geschaltet; Anschlusspunkte am linken und am rechten Ende. 2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und Anschlusspunkten am linken und am rechten Ende. In beiden Teilstücken links und rechts der Einspeisung befinden sich jeweils eine Spule und ein Kondensator in Parallelschaltung.
AG110: Ein Parallelresonanzkreis (Trap) in jeder Dipolhälfte ...

Wie sich ein Trap auf den Dipol auswirkt, hängt davon ab, wie die Betriebsfrequenz im Verhältnis zu seiner Resonanzfrequenz $f_\mathrm{res}$ liegt.

  • Bei $f=f_\mathrm{res}$ ist der Parallelschwingkreis hochohmig und wirkt als Sperrkreis. Der äußere Teil des Dipols wird dadurch weitgehend vom inneren Teil getrennt.
  • Bei $f<f_\mathrm{res}$ überwiegt die induktive Wirkung des Traps. Er wirkt ähnlich wie eine Verlängerungsspule und verlängert den Strahler elektrisch.
  • Bei $f>f_\mathrm{res}$ überwiegt die kapazitive Wirkung des Traps. Dadurch wird der Strahler elektrisch etwas verkürzt.

In diesem Applet kann man die Wirkung eines Traps auf einen Dipol für verschiedene Frequenzen untersuchen:

Trap-Dipol ohne Anregung

Keine Anregung: Kein Antennenteil ist aktiv.

Besonders anschaulich ist zunächst der Resonanzfall. Wird der Dipol bei der Resonanzfrequenz des Traps betrieben (z. B. $\qty{7.05}{\mega\hertz}$ in unserer Abbildung), ist der Parallelschwingkreis hochohmig. Es fließt daher nur wenig Strom in den äußeren Teil des Dipols. Der Dipol verhält sich näherungsweise so, als würde er an der Position des Traps enden.

AG112: Wenn man diese Mehrband-Antenne auf 7 MHz erregt, dann wirken die LC-Resonanzkreise ...
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und links und rechts jeweils einer Spule und einem Kondensator parallel geschaltet; Anschlusspunkte am linken und am rechten Ende; Länge des Leiters zwischen Einspeisepunkt und Parallelschaltung 10,07 m, zwischen Parallelschaltung und äußerem Anschlusspunkt 6,71 m; linke Parallelschaltung mit „f_res = 7,05 MHz“ beschriftet. 2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und Anschlusspunkten am linken und am rechten Ende. In beiden Teilstücken links und rechts der Einspeisung befinden sich jeweils eine Spule und ein Kondensator in Parallelschaltung. Auf beiden Seiten ist die Länge des Leiters zwischen einem Einspeisepunkt und der Parallelschaltung von Spule und Kondensator mit jeweils 10,07 m angegeben, die Länge zwischen der Parallelschaltung und dem äußeren Anschlusspunkt beträgt jeweils 6,71 m. Unter der linken Parallelschaltung steht die Angabe „f_res = 7,05 MHz“.

Dieser Zusammenhang kann für den Entwurf eines Zweiband-Dipols genutzt werden. Für das höherfrequente Band bestimmt der Abstand zwischen den beiden Traps im Wesentlichen die wirksame Dipollänge. Die äußeren Drahtstücke werden bei dieser Frequenz durch die Sperrwirkung der Traps weitgehend abgetrennt, als wären sie nicht da und der Dipol verhält sich wie ein kürzerer Dipol.

AG116: Sie wollen eine Zweibandantenne für 160 m und 80 m selbst bauen. Welche der folgenden Antworten enthält die richtige Drahtlänge $l$ zwischen den Traps und die richtige Resonanzfrequenz $f_{\textrm{res}}$ der Schwingkreise?
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten in der Mitte; links und rechts jeweils ein Schwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator parallel geschaltet (sog. Traps); Anschlusspunkte am linken und am rechten Ende; Abstand zwischen beiden Traps mit „l“ beschriftet; linker Trap mit „f_res“ beschriftet. 2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten in der Mitte und Anschlusspunkten am linken und am rechten Ende. In beiden Teilstücken links und rechts der Einspeisung befinden sich jeweils ein Schwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator in Parallelschaltung (sog. Traps). Der Abstand zwischen den Traps ist mit „l“ gekennzeichnet. Der linke Trap ist mit „f_res“ beschriftet.
Lösungsweg anzeigen

Wird der Dipol dagegen mit einer Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Traps betrieben (z. B. $\qty{3.5}{\mega\hertz}$ in unserer Abbildung), ist der Schwingkreis nicht mehr hochohmig. Seine induktive Wirkung überwiegt. Der Trap wirkt dadurch ähnlich wie eine Verlängerungsspule und verlängert den Dipol elektrisch. Dadurch kann der gesamte Dipol einschließlich der äußeren Drahtstücke für ein niedrigeres Frequenzband genutzt werden.

AG111: Wenn man diese Mehrband-Antenne auf 3,5 MHz erregt, dann wirken die LC-Resonanzkreise ...
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und links und rechts jeweils einer Spule und einem Kondensator parallel geschaltet; Anschlusspunkte am linken und am rechten Ende; Länge des Leiters zwischen Einspeisepunkt und Parallelschaltung 10,07 m, zwischen Parallelschaltung und äußerem Anschlusspunkt 6,71 m; linke Parallelschaltung mit „f_res = 7,05 MHz“ beschriftet. 2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und Anschlusspunkten am linken und am rechten Ende. In beiden Teilstücken links und rechts der Einspeisung befinden sich jeweils eine Spule und ein Kondensator in Parallelschaltung. Auf beiden Seiten ist die Länge des Leiters zwischen einem Einspeisepunkt und der Parallelschaltung von Spule und Kondensator mit jeweils 10,07 m angegeben, die Länge zwischen der Parallelschaltung und dem äußeren Anschlusspunkt beträgt jeweils 6,71 m. Unter der linken Parallelschaltung steht die Angabe „f_res = 7,05 MHz“.

Bei einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz überwiegt dagegen die kapazitive Wirkung des Traps. Der Trap wirkt dadurch elektrisch verkürzend und er kann sogar auf z. B. $\qty{14}{\mega\hertz}$ resonant sein. Auch dieser Effekt sollte bei der Dimensionierung eines Sperrkreis-Dipols berücksichtigt werden.

AG113: Wenn man diese Mehrband-Antenne auf 14 MHz erregt, dann wirken die LC-Resonanzkreise ...
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und links und rechts jeweils einer Spule und einem Kondensator parallel geschaltet; Anschlusspunkte am linken und am rechten Ende; Länge des Leiters zwischen Einspeisepunkt und Parallelschaltung 10,07 m, zwischen Parallelschaltung und äußerem Anschlusspunkt 6,71 m; linke Parallelschaltung mit „f_res = 7,05 MHz“ beschriftet. 2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte und Anschlusspunkten am linken und am rechten Ende. In beiden Teilstücken links und rechts der Einspeisung befinden sich jeweils eine Spule und ein Kondensator in Parallelschaltung. Auf beiden Seiten ist die Länge des Leiters zwischen einem Einspeisepunkt und der Parallelschaltung von Spule und Kondensator mit jeweils 10,07 m angegeben, die Länge zwischen der Parallelschaltung und dem äußeren Anschlusspunkt beträgt jeweils 6,71 m. Unter der linken Parallelschaltung steht die Angabe „f_res = 7,05 MHz“.

Durch mehrere Trap-Paare können Dipole für noch mehr Frequenzbänder aufgebaut werden. Dabei liegen die Traps für die höchsten Frequenzen am weitesten innen, weil hierfür die kürzeste wirksame Dipollänge benötigt wird.

Der innerste Trap wird daher auf die höchste vorgesehene Frequenz abgestimmt. Das nächste weiter außen liegende Trap-Paar wird auf die nächstniedrigere Frequenz abgestimmt und so weiter. Je niedriger die Betriebsfrequenz ist, desto größere Teile des Dipols werden wirksam.

AG115: Das folgende Bild stellt einen Dreiband-Dipol für die Frequenzbänder 20, 15 und 10 m dar. Die mit b gekennzeichneten Schwingkreise sind abgestimmt auf:
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte; links und rechts jeweils zwei Schwingkreise (innen „b“, außen „a“) aus einer Spule und einem Kondensator parallel geschaltet. 2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte. In beiden Teilstücken links und rechts der Einspeisung befinden sich jeweils zwei Schwingkreise aus einer Spule und einem Kondensator in Parallelschaltung. Die beiden inneren Schwingkreise sind mit „b“ bezeichnet, die beiden äußeren mit „a“.
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AG114: Das folgende Bild stellt einen Dreiband-Dipol für die Frequenzbänder 20, 15 und 10 m dar. Die mit a gekennzeichneten Schwingkreise sind abgestimmt auf:
1) Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte; links und rechts jeweils zwei Schwingkreise (innen „b“, außen „a“) aus einer Spule und einem Kondensator parallel geschaltet. 2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung einer horizontalen Drahtantenne mit zwei Einspeisepunkten „X X“ in der Mitte. In beiden Teilstücken links und rechts der Einspeisung befinden sich jeweils zwei Schwingkreise aus einer Spule und einem Kondensator in Parallelschaltung. Die beiden inneren Schwingkreise sind mit „b“ bezeichnet, die beiden äußeren mit „a“.
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Traps werden nicht nur in Dipolantennen eingesetzt. Auch bei Richtantennen wie Yagi-Antennen können Sperrkreise in den einzelnen Elementen verwendet werden, um die Antenne auf mehreren Frequenzbändern nutzbar zu machen.


Weiter zum nächsten Abschnitt: Antennengewinn in dBi und dBd
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