Strom- und Spannungsspeisung I

Die Speisung einer Antenne erfolgt immer mit einer Spannung und einem Strom, die zu einander in einem bestimmten Verhältnis stehen. Dieses Verhältnis wird als Speisewiderstand bezeichnet.

Damit eine Leistung abgegeben werden kann, müssen immer Spannung und Strom vorhanden sein, denn die Leistung ergibt sich aus der Multiplikation von Spannung und Strom. Wäre entweder die Spannung oder der Strom Null, dann gäbe es auch keine Leistungsabgabe bzw. -aufnahme.

Dennoch sprechen wir bei bestimmten Antennen von stromgespeisten Antennen und bei bestimmten anderen Antennen von spannungsgespeisten Antennen. Damit ist gemeint, dass bei bestimmten Antennen ein hoher Strom bei vergleichsweise geringer Spannung am Speisepunkt vorliegt, oder eine hohe Spannung bei vergleichsweise geringem Strom.

Bei einem Halbwellendipol hängt der Speisewiderstand davon ab, wo die Einspeisung erfolgt. Dies liegt daran, dass beim Dipol die Ladungsträger hin- und herschwingen und dabei in der Mitte besonders viele Ladungsträger bewegt werden, was wir als Strombauch bezeichnen, und an den Enden besonders hohe Spannungen entstehen, was wir als Spannungsbauch bezeichnen. Dort wo keine Ladungen bewegt werden sprechen wir von einem Stromknoten, und dort wo die Spannung Null ist sprechen wir von einem Spannungsknoten. Die Abbildung NE-19.14.1 zeigt die Strom und Spannungsverteilung auf dem Dipol.

EG203: Welche Aussage zur Strom- und Spannungsverteilung auf einem Dipol ist richtig?

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1) Kurzfassung: Symmetrische Grafik mit einer roten Kurve „I“ und einer blauen Kurve „U“ über einer horizontalen Strecke mit Beschriftung „λ/2“, dazu drei orangefarbene Vertikallinien mit markierten Punkten und schwarzen, rechtwinkligen Linienformen.

2) Detaillierte Beschreibung: Auf weißem Hintergrund verlaufen links, mittig und rechts je eine orangefarbene senkrechte Linie; an ihnen sitzen kleine schwarze Punkte: links oben und unten, in der Mitte oben und auf halber Höhe, rechts oben und auf mittlerer Höhe. Oben links und rechts führen von den äußeren Vertikalen waagerechte schwarze Linien nach innen; nahe der Mitte enden sie jeweils in kurzen, nach unten gerichteten schwarzen Stummeln, sodass zwischen den beiden Stummeln eine schmale Lücke bleibt. Unten führen von einer zentralen Lücke aus zwei waagerechte schwarze Linien nach links bzw. rechts; an ihren inneren Enden ragen kurze Stummel nach oben. Eine rote, glatte Kurve mit der Beschriftung „I“ (kursiv, rot) startet am linken oberen Punkt, wölbt sich bogenförmig nach oben mit einem Maximum am oberen Punkt der mittleren Vertikalen und fällt zum rechten oberen Punkt ab. Eine blaue, glatte Kurve mit der Beschriftung „U“ (kursiv, blau) beginnt nahe dem unteren linken Punkt, steigt gleichmäßig an, passiert die Mitte (dort liegt ein markierter Punkt auf der mittleren Vertikalen) und verläuft weiter ansteigend bis ungefähr zur mittleren Höhe am rechten Rand, wo ein weiterer Punkt markiert ist. Unterhalb der gesamten Zeichnung befindet sich ein langer, beidseitig Pfeile tragender schwarzer Doppelpfeil; in seiner Mitte steht die Beschriftung „λ/2“.
Abbildung NE-19.14.1: Halbwellendipol mit Spannungs- und Stromverteilung

Speisen wir einen Halbwellendipol also in der Mitte, so müssen viele Ladungen bewegt werden und wir sprechen von einer stromgespeisten Antenne (niedriger Speisewiderstand). Ein endgespeister Halbwellendipol hingegen ist eine spannungsgespeiste Antenne (hoher Speisewiderstand). Für die Speisung am Ende, wie in Abbildung NE-19.14.2 gezeigt, ist ein Anpassglied erforderlich. Das werden wir erst in der Klasse A genauer besprechen.

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1) Kurzzusammenfassung: Ein Schaltbild mit Quelle, einem Block „Anpassglied“, einer waagerechten Leitung und einer darüber eingezeichneten blauen sinusförmigen Kurve, dazu eine Längenangabe „λ/2“.

2) Detaillierte Beschreibung: Links ist ein kreisförmiges Quell-Symbol, verbunden mit einem rechteckigen Block mit der Beschriftung „Anpassglied“, der nach unten mit einem Erdungssymbol verbunden ist. Vom rechten Rand des Blocks führt eine durchgehende, waagerechte, schwarze Leitung nach rechts. Oberhalb der Leitung steht eine beidseitige Pfeillinie (Doppelpfeil) mit der mittigen Aufschrift „λ/2“. Entlang der waagerechten Leitung ist eine hellblaue, sinusförmige Kurve eingezeichnet, die links unterhalb der Leitung beginnt, ansteigt, die Leitung im rechten Drittel ungefähr kreuzt und am rechten Rand oberhalb der Leitung endet; in der Nähe dieser Kurve steht kursiv der Buchstabe „U“. Es sind keine Achsen, Skalen oder weiteren Beschriftungen vorhanden.
Abbildung NE-19.14.2: Halbwellendipol Endgespeist

Stromgespeiste Antennen weisen dementsprechend einen niedrigen und spannungsgespeiste Antennen einen hohen Widerstand auf.

Das lässt sich gut mithilfe des Ohmschen Gesetzes veranschaulichen:

$$ R = \frac{U}{I} $$

Speist man einen Dipol in der Mitte, liegt dort eine vergleichsweise geringe Spannung bei gleichzeitig hohem Strom an. Der Quotient aus Spannung und Strom ist daher klein, der resultierende Widerstand entsprechend niedrig. Erfolgt die Speisung hingegen am Ende des Dipols, liegt dort eine hohe Spannung an, während der Strom gegen null geht. Dadurch wird der Quotient sehr groß, und der resultierende Widerstand nimmt entsprechend hohe Werte an.

Bei niedrigen Widerständen sprechen wir auch von niederohmigem Verhalten ($\downarrow\unit{\ohm}$) und bei hohen Widerständen entsprechend von hochohmigem Verhalten ($\uparrow\unit{\ohm}$).

Eine übliche Größenordnung für den Speisewiderstand einer stromgespeisten Antenne ist z. B. $\qty{36}{\ohm}$ bis $\qty{100}{\ohm}$ und bei spannungsgespeisten Antennen $\qty{1500}{\ohm}$ bis $\qty{4000}{\ohm}$.

Die Stromverteilung auf einem Dipol hängt von der Frequenz ab, mit der die Antenne betrieben wird. Abbildung NE-19.14.3 zeigt die Stromverteilung für ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz $f$ bei einem mittengespeisten Dipol. Dabei ist zu erkennen, dass bei geradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz am Speisepunkt ein Stromknoten entsteht. In diesem Fall ist der Strom dort sehr klein, die Spannung hingegen hoch, und die Antenne erscheint am Speisepunkt hochohmig. Aus diesem Grund ist ein mittengespeister Dipol nur bei ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz resonant. Eine Nutzung mehrerer Bänder lässt sich erreichen, indem der Speisepunkt verlagert wird, etwa an einen der Strombäuche wie in Abbildung NE-19.14.3b (z. B. bei der Windom-Antenne) oder an das Antennenende (z. B. EFHW- oder Fuchsantenne). In diesen Fällen sind jedoch Anpassgeräte erforderlich, auf die wir erst in der Klasse A näher eingehen werden.

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Kurzfassung: Vier übereinander angeordnete Skizzen eines geraden, mittig unterbrochenen Leiters der Länge „λ/2“ mit darüberliegenden roten Stromkurven „I“ für die Anregungen „f“, „2·f“, „3·f“ und „4·f“, jeweils mit „Ω“ und einem Auf- oder Abwärtspfeil markiert.

Detailbeschreibung: Ganz oben zeigt ein waagerechter Doppelpfeil die Gesamtlänge mit der Beschriftung „λ/2“ in der Mitte. Darunter folgen die mit „a.“, „b.“, „c.“ und „d.“ beschrifteten Reihen:
- a.: Schwarze horizontale Linie mit schmalem mittigen Spalt; am Spalt steht rechts „f“, daneben „↓ Ω“. Über der Linie verläuft eine durchgehende rote Kurve „I“ (Beschriftung „I“ links oberhalb), als ein breiter Bogen mit maximaler Höhe in der Mitte und Nulldurchgängen an beiden Enden.
- b.: Gleiche schwarze Linie mit mittigem Spalt; am Spalt steht „2·f“ und „↑ Ω“. Die rote Kurve zeigt zwei gleich hohe Halbwellen, die sich genau im Spalt berühren (Knoten in der Mitte) und an den Enden auf Null gehen.
- c.: Gleiche Anordnung; am Spalt steht „3·f“ und „↓ Ω“. Die rote Kurve zeigt drei Halbwellen, mit einem Maximum direkt über dem Spalt und zwei weiteren Maxima symmetrisch links und rechts; an den Enden wieder Nulldurchgänge.
- d.: Gleiche Anordnung; am Spalt steht „4·f“ und „↑ Ω“. Die rote Kurve zeigt vier Halbwellen, mit einem Knoten im Spalt und weiteren Knoten gleichmäßig verteilt; die Enden liegen auf Null.
Abbildung NE-19.14.3: Stromverteilungen bei verschiedneen Grundfrequenzen

EG204: Ein Dipol wird stromgespeist, wenn an seinem Einspeisepunkt ...
EG205: Ein Dipol wird spannungsgespeist, wenn an seinem Einspeisepunkt ...
EG206: Ein Halbwellendipol wird auf der Grundfrequenz in der Mitte ...

Weiter zum nächsten Abschnitt: Antennengewinn in dBi und dBd