Ferritstabantenne

Als Ferritstabantenne oder Ferritantenne bezeichnet man eine induktive Antenne (magnetische Antenne), bei der eine Spule aus isoliertem Schaltdraht oder Hochfrequenzlitze  auf einem Ferritstab aufgebracht ist. Die Anordnung eignet sich für den Empfang von  Längst-, Lang-, Mittelwellen oder gegebenenfalls auch Kurzwellen und für Sonderanwendungen in der Telekommunikation gelegentlich auch bei UKW-Signalen.

Aufbau und Beschaltung

Die Spule bildet mit einem parallel geschalteten Drehkondensator einen Schwingkreis, der beim Abstimmen auf ein Sendesignal in Resonanz gebracht wird. Zur Abstimmung können auch Kapazitätsdioden verwendet werden. Zum werksseitigen Grundabgleich wird die Spule auf dem Ferritkern verschoben und abschließend mit Kleber fixiert. Der Hochfrequenz-Verstärkereingang des Rundfunkgerätes kann direkt an diesem Schwingkreis angeschlossen sein oder er ist über eine weitere Spule auf dem Ferritstab induktiv angekoppelt. Letztere Lösung ist bei niederohmigen Verstärkereingängen vorteilhaft. Bei einem Rückkopplungsaudion (Empfangsprinzip einfacher Röhrenradios) kann zusätzlich eine Rückkopplungsspule auf dem Ferritstab angebracht sein. Ein Ferritstab kann bei entsprechender Länge auch mehrere Schwingspulen für verschiedene Empfangsbänder (Lang-, Mittel- und Kurzwelle) tragen.

Alternativ zu Ferrit als Material für den Antennenkern sind auch andere weichmagnetische Materialien geeignet. Je nach Betriebsfrequenz und erforderlicher Güte sind laminierte Stabkerne aus weichmagnetischen Metallbändern einsetzbar. Diese Antennenkerne haben den Vorteil einer hohen mechanischen Festigkeit, ohne die beim Ferrit bekannte Bruchneigung zu besitzen. Besonders geeignet sind amorphe Metallbänder, die bei Dicken von typ. 0,020 mm und speziellen Legierungen mit geringster Magnetostriktion hoch belastbar sind. Derartige Antennen sind ohne Verlust der Antennen-Eigenschaften „biegbar“. Die Anwendung dieser Antennen sind wegen der höheren Kosten für den Kern jedoch nur auf Spezialgebiete beschränkt.

Eigenschaften

Ferritantennen haben eine Polarisations- und Richtwirkung: Zeigt das Ende eines Ferritstabes zum Sender, so zeigt das Signal ein Minimum, bildet es mit der Richtung zum Sender und zum Sendemast einen Winkel von 90 Grad, so ist es maximal. Der Grund liegt im Verlauf der magnetischen Feldlinien eines senkrechten Sendemastes: Sie verlassen diesen als waagerechte Ringe. Dieser Effekt wird auch zur Funkpeilung mit Peilempfängern genutzt (Minimumpeilen), allerdings sind hierfür zwei Peilungen aus unterschiedlichen Orten nötig, um festzustellen, welches Ende der Ferritantenne zum Sender zeigt.

Ferritantennen werden oft fest in den Empfänger eingebaut, so dass man für einen optimalen Empfang zuweilen das gesamte Gerät drehen muss. Röhrenradios hatten jedoch oft eine manuelle Drehvorrichtung für die eingebaute Ferritantenne.

Ferritstabantennen lösten weitgehend die zuvor üblichen Rahmenantennen ab. Der Vorteil ist, dass Ferritstabantennen bei vergleichbaren Empfangsleistungen nur etwa 1/20 des Raumbedarfes einer Rahmenantenne beanspruchen.

Anwendung

Ferritantennen sind für den Empfang von Funkwellen mit Frequenzen unter 2 MHz eine sehr gute Lösung, da sie aufgrund ihrer Richtungsempfindlichkeit, der ausschließlichen Aufnahme magnetischer Felder und der Frequenz-Selektivität viele Störsignale weniger stark aufnehmen als Stab- oder Drahtantennen. Auch können sie problemlos innerhalb des Geräte-Gehäuses untergebracht werden – dieses muss hierzu jedoch aus Isolationsmaterial bestehen. Heute werden Ferritantennen in den meisten Radios – außer Autoradios – für den Empfang von Lang- und Mittelwellen verwendet. Außerdem findet man sie in Funkuhren und RFID-Systemen. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind professionelle Pagersysteme (Funkrufempfänger, z.B. Feuerwehr) die auf UKW Frequenzen arbeiten und die Anwendung von besonders kleinen Antennen erfordern. Aufgrund ihrer kleinen Abmessungen und Drahtquerschnitte und aufgrund der Hystereseverluste des Ferritmaterials haben Ferritantennen einen schlechteren Wirkungsgrad als Rahmenantennen und sind deshalb als Sendeantennen nur bedingt und nur für kleine Sendeleistungen geeignet.

Magnetantenne

Die Magnetantenne, auch Magnetic Loop, benutzt anders als etwa ein Dipol primär die magnetische Komponente des elektromagnetischen Felds. Im Fernfeld sind die Felder beider Antennenformen nicht zu unterscheiden. Zu den Magnetantennen gehören z. B. Ferritantenne und Rahmenantennen.

Eine magnetische Antenne im engeren Sinn – eine Rahmenantenne – besteht aus einer, seltener einigen wenigen Windungen, und einem Kondensator. Sie ist also ein Schwingkreis mit möglichst großem Querschnitt der Spule.

Aufbau

Die Magnetantenne besteht meist aus einer Schleife, die wie eine Spule wirkt, mit einem abstimmbaren Kondensator, die zusammen einen Schwingkreis mit hoher Güte bilden.

Magnetische Antennen werden vorzugsweise im Frequenzbereich unter 30 MHz benutzt, weil ihre wesentlich kleineren Abmessungen im Vergleich zu einem Dipol sie trotz des begrenzten Wirkungsgrades attraktiv erscheinen lassen. Empfangsseitig spielt der Wirkungsgrad in diesem Frequenzbereich sowieso keine große Rolle, weil die Rauschtemperatur der Atmosphäre zu Ausgangsspannungen führt, die weit über dem Empfängerrauschen liegen. Zudem funktioniert eine magnetische Antenne auch dann noch, wenn das elektrische Feld etwa durch Stahlbeton abgeschirmt wird. Eine magnetische Antenne eignet sich also gut als Empfangsantenne innerhalb von Räumen.

Der Umfang einer Rahmenantenne muss kleiner als 1/4 der minimalen Wellenlänge sein, damit die Antenne überhaupt mit einem Kondensator abstimmbar ist (λ/4-Resonanz). Die so begrenzte Größe der Antenne führt zu einem sehr niedrigen Strahlungswiderstand, was mit einem sehr hohen Gütefaktor des so erzeugten Schwingkreises kompensiert werden muss. Die mit dem Gütefaktor verbundene Resonanzüberhöhung führt zu sehr hohen Strömen und Spannungen in einer magnetischen Antenne, was die Bauform aus einem Rohr und einem Plattenkondensator mit großem Plattenabstand erzwingt. Schon bei kleinen Sendeleistungen (z. B. 10 W) treten hohe Ströme und im Kondensator sehr hohe Spannungen auf.

Die besten Ergebnisse liefert ein möglichst kurzer Leiter, der eine möglichst große Fläche einschließt. Deshalb sollte die Schleife möglichst rund sein. Aus konstruktiven Gründen werden aber auch Rechteck- und Quadratform sowie als Fünf-, Sechs- und andere Vielecke benutzt.

Als Material der Schleife werden bei kommerziell hergestellten Sendeantennen vorzugsweise Aluminiumrohre benutzt. Für den Eigenbau sind natürlich auch andere gute elektrische Leiter, z. B. Kupfer -Rohre aus dem Installationbereich, üblich. Wichtig ist eine möglichst große Oberfläche des Leiters, weil durch den  Skineffekt nur die äußerste Schicht des Leiters wesentlich zur Leitungsfähigkeit beiträgt. Verwendung finden teils aber auch Quadrat- und Flachprofile, sowie die Außenleiter von Koaxialkabeln. Als Kondensatoren kommen üblicherweise Platten- oder Rohrkondensatoren zur Anwendung, die am besten direkt mit der Schleife verschweißt oder verlötet werden sollten. Die Ein- und Auskopplung der Hochfrequenz (HF) erfolgt mittels einer Koppelschleife oder Gamma-Match.

Wirkungsweise und Eigenschaften

Die magnetische Komponente überwiegt gegenüber der elektrischen Komponente umso mehr, je kleiner der Umfang der Antenne gegenüber der Wellenlänge (λ) ist. So spricht man bei Magnetantennen von 0,3 bis 0,1 λ auch von einer elektromagnetischen Antenne und bei Umfängen < 0,1 λ von magnetischen Antennen. Magnetantennen ermöglichen einen sehr kompakten und raumsparenden Aufbau, allerdings nimmt mit der Verkleinerung der Antennen gegenüber λ auch deren Wirkungsgrad ab. Dadurch sind sie für Sendezwecke meist nicht geeignet. Dieser Antennentyp ist sehr selektiv und wirkt wie ein Preselektor, mit dem Vorteil, dass das Signal/Rausch-Verhältnis günstiger wird und die Empfänger bei starken Nachbarsignalen weniger überfordert werden. Auch im Sendefall reduziert sie deutlich störende Beeinflussungen von elektronischen Geräten in der Nachbarschaft, die sich oft wegen technischer und konstruktiver Unzulänglichkeiten hierfür anfällig zeigen. Wegen der stärkeren magnetischen Komponente reagiert die Magnetantenne weniger empfindlich auf Umgebungseinflüsse durch Mauern (ausgenommen Stahlbeton), Bäume und ähnliches. Als Nachteil wird meist genannt, dass mit jedem Frequenzwechsel auch die Antenne nachgestimmt werden muss und dass, zumal bei kleinen Bauformen, der Wirkungsgrad spürbar schlechter wird.

Bei vertikaler Montage verfügen Magnetantennen über eine vertikale Polarisationsebene  und auch über eine deutliche bidirektionale Richtwirkung. Das kann man einerseits für die Positionsermittlung und Ausblendung störender Signale nutzbar machen, andererseits entsteht das Problem, dass man für eine ausreichende Empfangsfeldstärke immer für eine korrekte Ausrichtung der Antenne sorgen muss (durch Drehung). Nachteilig ist hier auch, dass im Sendefall ein Teil der Sendeenergie in den Boden und senkrecht nach oben abgestrahlt wird. Bei horizontaler Montage stellt sie einen Rundstrahler mit, abhängig von Montagehöhe, Bodenleitfähigkeit und Umgebung, tendenziell flacher Abstrahlung dar, die, verlustarme Konstruktion vorausgesetzt, auch gute Weitverbindungen (DX) ermöglicht.

Anwendung

Magnetantennen sind in der Funktechnik schon lange bekannt und wurden zumindest früher für den Kurzwellenfunk auf Schiffen und Luftfahrzeugen in Peilreinrichtungen und zur Flugsicherung verwendet. Heute werden sie für Spezialfälle im Amateurfunk verwendet, sowie zur Kommunikation mit getauchten U-Booten und für RFID-Anwendungen, wobei teilweise deren Richtwirkung durch eine drehbare Montage zusätzlich ausgenutzt wurde und wird.

Rahmenantenne

Eine Rahmenantenne ist eine meist auf einem Rahmen mit möglichst großem Querschnitt (bis ca. 30 cm) montierte Luftspule, welche als Empfangsantenne für Längst-, Lang- und Mittelwellen verwendet wird. Sie gehört zu den magnetischen Antennen, erzeugt oder empfängt also primär den magnetischen Teil des elektromagnetischen Feldes.

Aufbau

Da der Umfang in der Regel wesentlich kleiner als eine halbe Wellenlänge ist, weist eine Rahmenantenne eine homogene Stromverteilung entlang des Leiters auf, anders als bei einem Halbwellendipol, der an den Dipolenden ein Spannungsmaximum und in der Mitte ein Strommaximum aufweist. Ihr Fußpunktwiderstand ist sehr niedrig und liegt je nach Windungszahl zwischen 130 bis unter 1 Ohm. Rahmenantennen können entweder breitbandig ausgeführt sein oder abstimmbar, indem ein Drehkondensator parallel geschaltet ist.

Wie alle magnetischen Antennen weist die Rahmenantenne eine Richtwirkung auf - eine senkrecht stehende Spule hat in waagerechter Ebene eine Achtercharakteristik.

Die Rahmenantenne ist von ihrer Theorie her eine sehr direkte Veranschaulichung des Induktionsprinzips,  wonach die induzierte Spannung der Änderung des magnetischen Flusses proportional ist: Hier ist die Fläche A besonders groß (und normalerweise auch die Windungszahl n), um einen großen Effekt (eine hohe Induktionsspannung) zu erzielen. Die Änderung des magnetischen Flusses stammt von der wechselnden Feldstärke der vom Sender eintreffenden elektromagnetischen Strahlung oder ein Hochfrequenzstrom in der Spule erzeugt seinerseits ein Wechselfeld im Raum und in der Folge eine elektromagnetische Welle.

Sonderform

Eine Sonderform der Rahmenantenne stellt die sogenannte Loop (engl. für Schleife) oder Magnetantenne dar. Dabei handelt es sich um eine Rahmenantenne mit meist nur einer, gelegentlich auch zwei Windungen. Ihre Resonanzfrequenz liegt aufgrund der geringeren Induktion der Spule deutlich höher als die der Rahmenantenne und kann bis in den GHz- Bereich reichen.

Anwendung

Rahmenantennen wurden zumindest früher für den Kurzwellenfunk auf Schiffen verwendet, wobei deren Richtwirkung durch eine drehbare Montage zusätzlich ausgenutzt wurde. Drehbare Rahmenantennen werden zur Funkpeilung benutzt. Das Empfangssignal hat genau dann ein Maximum, wenn die Spulenebene in Richtung Sender weist. Bei quer zur Empfangsrichtung stehender Spule ist es null.

Es gibt vereinzelt auch Radioempfänger, die als Empfangsantenne für die AM- Bereiche keine Ferritantenne, sondern eine kleine Rahmenantenne (Durchmesser hier nur ca. 10 cm) besitzen, die separat neben dem Gerät aufgestellt wird und auf den gewünschten Sender ausgerichtet werden kann.

Selbstbauten großer Rahmenantennen finden heute vor allem unter Rundfunkhörern im Mittelwellenbereich und unter Funkamateuren im Kurzwellenbereich Anwendung. Diese Rahmenantennen weisen Größen bis zu anderthalb Meter auf und werden an Weltempfängern oder eigenen Stationen betrieben. Rahmenantennen werden auch in RFID-Transpondern eingesetzt. Eine weitere Anwendung sind Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Der Einsatz von Rahmenantennen ist daher nur im Bereich niederer Frequenzen und großer Feldstärken ( > 20 μV/m) sinnvoll möglich. Als Sendeantenne ist sie wegen des kleinen Wirkungsgrades nicht geeignet.