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Die Spule, der Kondensator und der Schwingkreis als Antenne

Eine Induktivität und eine Kapazität(Spule und Kondensator) bilden die Elemente eines elektrischen Schwingkreises. Schwingkreise haben in der Funktechnik eine große Bedeutung und man muss die Wirkungsweise gut verstehen, um mit Sendern und Empfängern kompetent umzugehen. Die Vorgänge im Kondensator haben wir schon auf der entsprechenden Seite gelernt. Hier folgt nun die Spule.

Kondensator
Beim Kondensator haben wir gelernt, dass man erst einen Strom in die Platten hinein schicken muss, um danach eine Spannung an seinen Anschlüssen zu messen. Die Spannung folgt also mit einer gewissen Verzögerung dem Strom. Die Ladung im Kondensator ist 1As(Amperesekunde), wenn der Kondensator eine Kapazität von 1 F(Farad) hatte, nachdem man ihn mit 1A eine Sekunde lang geladen hat und genau dann eine Spannung von 1V zu messen ist. Weiterhin haben wir erfahren, dass der Kondensator keinen Gleichstrom fließen lässt, weil zwischen seinen Belägen eine Isolation ist. Da bei einem Wechselstrom der Kondensator ständig über den äußeren Stromkreis umgeladen wird, fließt nur scheinbar ein Strom durch den Kondensator. Dabei setzt der Kondensator dem Wechselstrom einen Widerstand entgegen. Der Widerstand ist umso größer, je geringer die Kapazität und je niedriger die Frequenz des Wechselstroms ist. In der Formel steht der Wert der Kapazität unter dem Bruchstrich:

Xc = 1 / (2 * PI * f * C)




Wer sich an die Mathematikstunde erinnert, dem ist klar, dass die Funktion 1 / C wie y = 1 / x eine Hyperbel bildet. Ebenso ist es beim Kondensator: Bei einer Gleichspannung an den Anschlüssen haben wir einen fast unendlich großen Widerstand; mit steigendem Wert des Kondensators und/oder der Frequenz des Wechselstroms sinkt dieser. Bei sehr hoher Frequenz ist der Wechselstrom am größten, da der Widerstand des Kondensators fast Null ist.

In der Praxis finden wir Kondensatoren mit Kapazitäten um 1F nur selten. Solche Kapazitäten sind eigentlich große Werte eines Kondensators. In der Funktechnik arbeiten wir mit sehr viel kleineren Kapazitäten. Mikrofarad(uF) oder Nanofarad(nF) und auch Pikofarad(pF) sind gebräuchlich. Wir erinnern uns, wie man diese Kapazitätswerte notiert:

1 uF = 1 F * 10^-6 = 0,000001 F oder 1000 nF oder 1 000 000 pF

1nF = 10^-9 F = 1 000 pF

1 pF = 10^-12 F oder 0,001 nF

Spule
Nun aber zurück zur Induktivität!
Auch hier ist ein Wert von 1 H(Henry) nicht oft anzutreffen. Meistens haben wir es in der Funktechnik mit Induktivitäten von uH(Mikrohenry) oder mH(Millihenry) zu tun.

Bei einer Spule von 1H (1 Henry) muss man eine Spannung von 1V eine Sekunde lang anlegen, um danach einen Strom von 1 A zu messen. Der Strom folgt also der angelegten Spannung mit einer gewissen Verzögerung. Die Spule widersetzt sich dem Strom, weil sie mit ihm zusammen ein Magnetfeld aufbaut. Der Kondensator dagegen baute ein elektrisches Feld zwischen seinen Platten auf, das bei der Entladung zusammenbrach. Schließt man nach dem Aufbau des magnetischen Feldes die Anschlüsse der Spule kurz, dann bricht das Magnetfeld zusammen. Ebenso auch dann, wenn man die Spannung von den Anschlüssen abklemmt. In diesem Fall entsteht durch den Zusammenbruch des Magnetfeldes(es fließt kein Strom mehr) an den Anschlüssen der Spule eine elektrische Spannung, die durch die Veränderung(Zusammenbruch) des Magnetfeldes in der Spule selbst erzeugt wird. Manchmal ist diese Spannung so hoch, dass eine elektrische Entladung durch einen Funken stattfindet. Dabei hat diese sogenannte Selbstinduktionsspannung die entgegengesetzte Polarität zur vorher angelegten Spannung.

Schwingkreis
Man kann diese Selbstinduktionsspannung nun durchaus an die Platten eines Kondensators legen. Dann fließt ein Rücklaufstrom in diesen hinein, bis er von der Spule nichts mehr erhält. Der Kondensator wäre dann aufgeladen. Da aber nunmehr ein elektrisches Feld in ihm aufgebaut wurde, steckt darin die ganze Energie der zuvor entladenen Spule, die aus deren Magnetfeld kam. Die sich am Kondensator aufgebaute Spannung, die dem Strom mit einer gewissen Verzögerung folgte, treibt nunmehr wieder einen umgekehrt fließenden Strom in die Spule zurück. Dort baut sich erneut ein Magnetfeld auf, der Strom in der Spule erreicht mit einer gewissen Verzögerung seinen Höchstwert. Steigt er nicht weiter an, dann bricht das Magnetfeld wieder zusammen, wodurch eine Spannung erzeugt wird, die einen Strom in den Kondensator schickt. Dort steigt das elektrische Feld wieder an und die Spannung hat alsbald wieder einen maximalen Wert erreicht, der nicht weiter erhöht werden kann, weil die Energie aus der Spule vollständig vom magnetischen Feld ins elektrische Feld des Kondensators umgesetzt wurde.




Diese Vorgänge können sich bis in alle Ewigkeit fortsetzen, wenn man Spule und Kondenstor zu einem Schwingkreis zusammenschaltet. Leider aber haben reale Spulen und Kondensatoren geringe Verluste. Z.B. hat allein schon der Kupferdraht einer Spule einen ohmischen Widerstand. Und wir wissen ja, dass jeder Strom durch einen Widerstand Wärme erzeugt. Wärme ist aber eine andere Energieform. Die elektrische Energie I * U * t = Wattsekunden oder Kilowattstunden sind die "Verluste" des Schwingkreises, ebenso auch die sog. dielektrischen Verluste in der Isolation zwischen den Platten des Kondensators. Auch hier wird ein Teil beim Umladen der Energie von der Spule zum Kondensator und umgekehrt in Wärme umgesetzt, die an die Umgebung abgegeben wird. Der Eigenschwingungsvorgang zwischen Spule und Kondensator in einem Schwingkreis kann nur dann aufrecht erhalten werden, wenn man diese Verluste durch eine geeignete Maßnahme dem Schwingkreis von außen wieder zuführt. Das kann man in einen sog. Oszillator durch elektrische Energie erreichen. Daher gibt ein Oszillator solange elektrische Schwingungsenergie ab, solange man ihn mit elektrischem Strom versorgt, denn auch in ihm müssen die Verluste durch elektrische Energie aus der Batterie oder Stromversorgung ersetzt werden.

Schließt man an einen elektrischen Schwingkreis eine Antenne an, dann wird diese einen Teil der elektrischen Energie als elektrische Welle abstrahlen. Auch das ist ein Verlust des Schwingkreises, allerdings ein gewollter. Denn eine gute Antenne nimmt die gesamte Energie des Schwingkreises auf und strahlt sie ab. Deshalb muss zur Aufrechterhaltung der Schwingungen diese elektrische Energie dem Schwingkreis ständig wieder zugeführt werden. In den Senderendstufen kommt diese Energie aus einem leistungsstarken Netzteil und letztlich natürlich aus der Steckdose. Wie man die elektrische Energie aus dem Schwingkreis herauskoppelt und zur Antenne führt, und wie man diese Energie auch inaus der Steckdose in den Schwingkreis hineinbringt, werden wir später erfahren.

Wir sind ganz davon abgekommen, näher auf die Vorgänge in einer Induktivität(Spule) einzugehen. Da sich der Strom in der Spule verzögert aufbaut, weil ja die Erzeugung des Magnetfeldes mit ihm verbunden ist, kann man sagen, dass die Spule dem Strom einen gewissen Widerstand entgegensetzt. Beim Anlegen einer Wechselspannung wird die Spule einen Wechselstromwiderstand darstellen. Er errechnet sich nach der Formel

Xl= 2 * PI * f * L


Man sieht, dass dieser induktive Widerstand mit steigender Frequenz f zunimmt. Er steigt linear an. Natürlich ist er auch umso größer, je höher die Induktivität L der Spule ist. Der Physiker würde sagen, dass der induktive Widerstand der Frequenz und der Induktivität proportional ist. Beim Kondensator fanden wir vor, dass er umgekehrt proportional ist.



Xl = 2 * PI *f * L


Den Ausdruck (2* PI * f) nennt man auch Kreisfrequenz. Der Ausdruck kommt vom Einheitskreis, der oft zur Veranschaulichung von Wechselspannungen bzw. -Strömen herangezogen wird. Wir können ihn auch in Zusammenhang mit der Schwingkreisfrequenz bringen, dann sprechen wir von der Eigenschwingung(Frequenz) des Schwingkreises und nennen diese Resonanzfrequenz. Jeder Schwingkreis hat seine Eigenfrequenz, seine individuelle Resonanzfrequenz. Hierin versteckt sich die bisher erwähnte gewisse Zeitverzögerung der Ströme und Spannungen beim Umladen der Energie. Diese Verzögerungen der Vorgänge sind im Schwingkreis von der Induktivität und der Kapazität abhängig. Die beiden Werte bestimmen die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Macht man die Spule oder den Kondensator veränderlich, so kann man die Resonanzfrequenz bequem auf einen bestimmten Wert einstellen. Wir haben dann einen abstimmbaren Schwingkreis.

Serienschwingkreis
Betrachten wir mal den Serienschwingkreis. Hier sind Spule und Kondensator hintereinander geschaltet. Beim Anlegen einer Gleichspannung fließt kein Strom, da der Kondensator diesen vollständig sperrt. Eine Wechselspannung geringer Frequenz erfährt daher auch einen großen Widerstand. Dieser nimmt mit steigender Frequenz ab. Bei sehr hoher Frequenz wirkt sich allein die Sperrwirkung der Spule aus. Sie stellt nämlich einen großen Widerstand dar. Bis zur sog. Resonanzfrequenz, bei der beide Widerstände(induktiver und kapazitiver) gleich groß sind, überwiegt der Wechselstromwiderstand des Kondensators. Er hat einen Hyperbelverlauf. Danach steigt der Widerstand linear an. So ist verständlich, dass der Wechstromwiderstand des Serienschwingkreises in Abhängigkiet von der Frequenz folgenden Verlauf hat.



Wir sehen ein Minimum des Wechselstromwiderstandes bei der Resonanzfrequenz. Theoretisch sollte er Null sein, jedoch bedingen die Verluste im Schwingkreis einen Restwiderstand(z.B. den ohmischen des Spulendrahtes). Wenn aber bei der Resonanzfrequenz fo des Reihenschwingkreises ein kleiner Wechselstromwiderstand ist, dann kann man mit dem Schwingkreis Wechselströme solcher Frequenz kurzschließen. Der Serienschwingkreis würde einen Wechselstrom mit der Resonanzfrequenz fast vollständig durchlassen. An eine Antenne angeschlossen, würde dieser Wechselstrom z.B. einen Maximalwert erreichen. Schließt man den Reihenschwingkreis vor einen Empfänger so an, dass sein anderes Ende an der Erde liegt, dann wird ein Sender, der die Resonanzfrequenz hat, nach dahin kurzgeschlossen und könnte an dem Eingang des Empfängers keine wirksame Hochfrequenzspannung erzeugen. Diese Wirkung wäre erwünscht, wenn es die Frequenz eines Störsender ist.



Der Reihenschwingkreis saugt die Ernergie aus der Antenne heraus und leitet sie zur Erde ab. Der Empfang des Störsenders wird wirksam unterdrückt. Man nennt den Schwingkreis deshalb auch Saugkreis.

Parallelschwingkreis
Der Wechselstromwiderstand eines Parallelkreises, bei dem die Spule und der Kondensator nebeneinander(parallel) geschaltet sind, hat bei der Resonanzfrequenz einen theoretisch unendlich großen Wert. Durch die Verluste erfährt er aber auch eine Begrenzung. Der Verlauf über der Frequenz ist folgender:



Schließt man einen solchen Schwingkreis zwischen die Antenne und dem Eingang eines Empfängers, dann wird ein Sender, der auf der Resonanzfrequenz strahlt, nicht durchgelassen, da der Schwingkreis dem Wechselstrom einen sehr großen Widerstand( >> 10k ) entgegensetzt. Man spricht dann von einem Sperrkreis, weil dem Störsender der Zugang zum Empfänger versperrt wird.



Üblicherweise schaltet man aber den Parallelschwingkreis zwischen Antenne und Erde und entnimmt am antennenseitigen Ende die Hochfrequenzspannung mit einer Senderfrequenz, die man empfangen will. Denn durch den hohen Widerstand wird nur diese Hochfrequenzspannung nicht zum Erdanschluss kurzgeschlossen. Die Antennenspannung wird für diesen Sender am Eingang eines Empfängers ein Maximum haben. Und weil alle Empfänger Spannung- oder Stromverstärker sind, ist das erwünscht und diese Anwendung des abgestimmten Parallelschwingkreises hat sich somit in der Empfängertechnik durchgesetzt.



Die Verluste im Schwingkreis
Spule und Kondensator sind keine idealen Bauelemente. Sie haben im Schwingkreis neben den nützlichen auch noch andere physikalische Wirkungen. Man kann sie auf verschiedenen Weise konstruktiv ausführen. Interessant sind aber immer diejenigen , die die geringsten Nebenwirkungen haben. Am liebsten hätten wir ideale Eigenschaften und Konstruktionen, in denen keine Energieverluste zu beklagen sind. Leider ist die Natur komplexer als wir es manchmal gerne hätten. Es hat viele Jahre gedauert, bis man Spulen für die Empfängertechnik in Minaturformen herstellen konnte, in denen obendrein ein magnetisierbares Material verwendet wird, das geringste magnetische Verluste hat. Es ist ja nicht verwunderlich, dass durch das ständige Ummagnetisieren des Kerns Energie in Wärme umgesetzt wird, wenn die Spule z.B. einen Eisenkern hat.

Schon der gewickelte Draht hat unvermeidlich einen Gleichstromwiderstand. Und es kommt hinzu, dass die Hochfrequenzströme in ihm einen Verdrängungseffekt hervorrufen, wodurch der wirksame Leiterquerschnitt geringer wird als man am eigentlichen Material(z.B. Querschnitt des Kupferdrahtes) nachmessen kann. Hochfrequenzströme fließen vorwiegend auf der Oberfläche von Leitern. Dieser sog. Skineffekt wird durch den Einsatz von Hochfrequenzlitze weitgehend vermieden. Im Wickeldraht befinden sich mehrere isolierte Leiter, die in besonderer Weise miteinander verdrillt sind. Es gibt z.B. 100 x 0,07 mm, eine Litze, die 100 Einzeldrähte mit dem jeweiligen Durchmesser von sieben Hundertstel Millimeter enthält. Die Oberfläche von 100 dünnen Litzendrähten ist größer als die von einem Volldraht, der den gleichen Durchmesser wie die Litze hätte. Alle Litzendrähte müssen an den Enden sorgfältig abisoliert und miteinander verbunden werden. Übersieht man dabei nur einen einzigen Litzendraht, dann hat diese HF-Litze eine höhere Verlustwirkung als ein Volldraht.

Weiterhin ist der Abstand zwischen den gewickelten Drähten wichtig. Ist er zu gering, so wird man nachweisen können, dass das magnetische Wechselfeld im benachbarten Wicklungsdraht Wirbelströme verursacht, die wiederum unerwünscht in Wärme umgesetzt werden. Man spricht hier vom Proximity-Effekt(engl. Nähe). Bei guten Spulen haben die Windungen einen Abstand zueinander von mindestens einem Drahtdurchmesser. Mit Hilfe der Mathematik kann man herausfinden, bei welcher konstruktiven Ausführung für die angestrebte Induktivität einer Spule man am wenigsten Draht braucht. Damit geht auch beim Entwurf die Länge des Wicklungsdrahtes mit ein, wenn man optimieren will. Bei zylindrischen Bauformen sind Flachspulen optimal.

Es ist für die Güte einer Spule nicht gleichgültig, ob der Draht nebeneinander oder übereinander gewickelt wird. Zu Beginn der Radiotechnik hat man die Korbspulen in Flachbauweise favorisiert. Bei dieser Wickeltechnik berühren sich die isolierten Windungen nur punktweise. Ein sternförmiger Wickelkörper sorgt dafür, dass sie sich nur an wenigen Stellen kreuzen. Dadurch haben diese Spulen eine geringe Eigenkapazität. Sie ergibt sich zwangsläufig dadurch, dass ja die Drähte in einer Wicklung nebeneinander oder übereinander liegen und jeweils kleine Kondensatoren bilden. Leider ist die Isolation des Wickeldrahtes ein schlechtes Dielektrikum. Die so unvermeidliche Kapazität geht beim Schwingkreis in die Abstimmkapazität mit ein und verursacht einen merklichen Verlust z.B. in Empfängerschwingkreisen. .


Ein weiterer Verlust entsteht durch das sogenannte magnetische Streufeld. Es handelt sich wie bei der elektrischen Welle um eine Abstrahlung. Trifft sie auf eine metallische Abschirmung, entstehen darin Wirbelströme. Wie überhaupt fast jede Konstruktion eines Schwingkreises einen geringen Anteil der in ihm wirksamen Hochfrequenzenergie abstrahlt. Die Summe aller Verluste in einer Spule stellt man deshalb als Verlustwiderstand dar und tut so, als ob dieser mit den idealen Elementen zusammen die realistische Spule, den realistischen Kondensator oder den realistischen Schwingkreis bilden. Dieser Verlustwiderstand ist bei der rechnerischen Untersuchung eine wichtige Größe.


Beim Kondensator sind es vorwiegend die Verluste im Dielektrikum, die verhindern, dass wir es mit einem idealen Bauelement zu tun haben. Der ständige Feldwechsel in der Isolierschicht hat einen Energieverlust zur Folge. Hinzu kommen bei sehr hohen Frequenzen die üblichen Skineffektverluste, denen man durch Versilbern der leitenden Oberflächen entgegenwirkt.

Im Bild oben sind alle Verlustwiderstände dargestellt. Bitte prägt euch die Bilder ein, denn in der Prüfung könnten entsprechende Fragen dazu gestellt werden.

Wenn schon die beiden wesentlichen Bauelemente selbst Verluste zeigen, so ist das bei der Zusammenschaltung zu einem Schwingkreis natürlich auch zu erwarten. Die Verluste führen beim Serienschwingkreis dazu, dass man einen größeren Strom hindurchschicken muss, wenn man eine bestimmte Leistung z.B. durch eine Antenne abstrahlen will. Beim Parallelschwingkreis erreicht man im Resonanzbetrieb nicht den gewünschten hohen Sperrwiderstand, wodurch ein Teil der Empfangsenergie verloren geht und die Empfangsspannung etwas zusammenbricht. Der Empfänger hat nicht die angestrebte Empfindlichkeit. Einer Sende-Antenne würde man mehr elektrische Energie zuführen müssen, damit durch die gewünschte hohe Spannung ein starkes elektrisches Feld entsteht.

Antennen
Wer hätte als Laie vermutet, dass Funkantennen auch elektrische Schwingkreise sind? Zunächst fällt das wohl kaum auf. Tatsächlich sind Antennen aber Schwingkreise, die so gestaltet werden, dass sie die elektrische Energie möglichst mit hohem Wirkungsgrad als Funkwelle abstrahlen. Umgekehrt gilt das auch für den Empfang von Funkwellen. Hier sollen sie die schwache Energie aus dem Raum wieder einfangen und dem Empfänger zur Verfügung stellen. Ganz nebenbei stellen wir also fest, dass es offensicht Schwingkreise gibt, die ihre Energie verlieren, also eigentlich sehr verlustreich sind. Einen neuen Begriff von Energieverlust im Schwingkreis müssen wir jetzt in Betracht ziehen. Schon ein gewöhnlicher Schwingkreis kann Energie abstrahlen. Da es nicht gelingt, diesen Effekt vollständig zu vermeiden, sind diese abgestrahlten Anteile ihrem Wesen nach Energieverluste. Bei den Antennen wird diese spezielle Eigenschaft genutzt und so ausgebildet, dass die Abstrahlung der Hauptanteil des Energieaustausches ist. Bei einer Sende-Antenne wird man sie maximieren, beim Empfänger wird man dagegen die Aufnahme von Strahlung optimieren. Gleich vorweg gesagt, handelt es sich bei solchen wirksamen Gebilden meistens um sog. resonante Antennen. Die Antenne wird als Schwingkreis auf ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Daneben gibt es aber auch solche, die nicht resonant sind. Man spricht dann von Breitbandantennen oder aperiodische Antennen. Letztere haben meistens einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad. Als Beispiele von resonanten Antennen wollen wir mal zwei unterschiedliche Konstruktionsprinzipien betrachten.

Die elektrische Antenne
Meine Antenne für den Betrieb auf der Langwelle ist zwischen 135,7 ... 137,8 kHz resonant. Elektrische Wellen mit diesen Frequenzen werden von ihr bevorzugt abgestrahlt und empfangen. Die folgende Skizze zeigt den Aufbau. Man nennt sie nach ihrem Erfinder Marconi-Antenne.



Streng genommen ist die Marconi-Antenne eine sog. Lambda-Viertel-Antenne. Realisiert wäre sie z.B. durch einen senkrecht auf die Erde gestellten Metallstab, der ziemlich genau ein Viertel der elektrischen Wellenlänge ist.

Auf meinem Grundstück habe ich in 9m Höhe drei Drähte mit einem Abstand von 1m parallel gespannt. Alle Drähte sind miteinander leitend verbunden, so dass man auch von einer künstlichen Fläche sprechen kann, die sich 9m über dem Erdboden befindet. Manchmal nennt man eine solche Antenne auch L-Antenne, weil sie die Form eines um 90 Grad gedrehten Ls hat. Die Energie wird dieser Fläche über einen von unten senkrecht nach oben geführten Draht zugeführt. Unten ist diese Zuleitung an einer Spule angeschlossen. Das andere Ende der Spule wird mit einem Erdstab verbunden. Der Kontakt zur Erde ist wichtig, denn wir werden gleich sehen, wie sich in der Konstruktion einer Marconi-Antenne der eigentliche Schwingkreis versteckt. Man macht sich eine Hilfsvorstellung und nennt das auf die wesentlichen Merkmale zugeschnittene Schaltbild der Antennen ihr Ersatzschaltbild. Es ist nach dem nächsten Bild ein Parallelschwingkreis, mit dem wir es zu tun haben.



Die obere Kondensatorplatte(Fläche) wird soweit aufgedreht, bis sie durch die Erdfläche ersetzt ist.Die Fläche und die Erde sind also letztlich die Kondensatorplatten des Schwingkreises. In meiner Antenne dient tatsächlich eine zusätzlich unten angebrachte Spule zur Realisierung der notwendigen Induktivität. Eigentlich ist aber jeder Draht bereits eine kleine Induktivität. Macht man ihn sehr lang, dann kann man auch höhere Werte messtechnisch nachweisen. Bei einer Wellenlänge von mehr als 2km müsste ich jedoch mindestens 500m in die Höhe gehen, um eine genügend große Induktivität für den Schwingkreis zu erzeugen. Da das nicht möglich ist, verwende ich die unten angebrachte künstliche Verlängerung, nämlich eine konzentrierte, abstimmbare Induktivität durch die Spule. Nur so gelingt es mir, den Parallelschwingkreis in Resonanz zu bringen. Und nur dann hat diese Antenne einen hinreichend brauchbaren Wirkungsgrad.

Wesentliches Merkmal dieser Antennenkonstruktion ist die Erzeugung eines starken elektrischen Feldes durch den Kondensator, der aus der sog. Dachkapazität(Fläche gegen Erde)und dem Erdboden gebildet wird. Man sieht in der Zeichnung den Verlauf der elektrischen Feldlinien(blau). In der unteren Darstellung wird schematisch angedeutet, wie sich dieser Kondensator bildet, wenn man die obere Platte bis zum Erdboden hinab dreht und absenkt. Man erklärt die Abstrahlung der elektrischen Energie damit, dass diese Feldlinien aufreißen und in den Raum hinaus zu einer elektrischen Strahlung führen. Das Ziel der Optimierung ist bei der elektrischen Antenne, eine möglichst hohe Wechselspannung am oberen Ende zu erzeugen, damit ein starkes elektrisches Feld entsteht.

Der Parallelschwingkreis hat bei Resonanz einen sehr hohen Wechselstromwiderstand. Nehmen wir an, der Sender hätte eine Leistung von 1 kW. Hätte der Schwingkreis(Antenne) einen Widerstand von 1k, dann würde 1A Antennenstrom fließen(P = I^2 * R). Tatsächlich hat meine Antenne aber einen sehr viel höheren Resonanzwiderstand und es entstehen am oberen Ende(Fläche) mehrere 10 000V! Das lässt darauf schließen, dass der Resonanzwiderstan sehr viel größer als 1k ist. Ich erreiche das z.B. durch die gute Ausführung der Abstimmspule, die ich weitgehend verlustarm hergestellt habe. Aber auch durch einen geringen Erdwiderstand können die Ströme abfließen und die Erde aufladen. Dabei wird auch nur wenig Energie in Wärme umgesetzt.

Wenn es denn vorteilhaft ist, am oberen Ende der Antenne eine große Wechselspannung zu erzeugen, dann wäre es doch einfacher, gleich einen Parallelschwingkreis zu betreiben und am oberen Ende einen Draht in großer Höhe anzuschießen. Eben diesen Gedanken hatte vor vielen Jahren ein Funkamateur und erfand die nach ihm benannte Fuchsantenne. Er schaltet in großer Höhe den Antennendraht direkt an den Parallelschwingkreises. Bei der Marconi-Antenne gibt es konstruktiv dadurch Verluste, dass die Spule am Erdboden ist und der Zuführungsdraht eine hohe Spannung führt. Alle parallel mit dem Zuführungsdraht senkrecht aufgestellte und leitend mit dem Erdboden verbundene Gebilde(Fallrohre von Dachrinnen, Bäume usw.) bilden mit ihm einen kleinen Kondensator. Durch diese seitlichen Kapazitäten werden schon vor dem Erreichen der Energie am eigentlich abstrahlenden Teil der Antenne(Fläche)Wechselströme abgeleitet, so dass die Spannung etwas geringer ist als es ohne diese Verluste möglich wäre. Konstruktiv kann man diesem Effekt entgegenwirken, wenn man einen Teil der Abstimmspule direkt unter die Fläche verlegt. Dann sind die Spannungen auf dem zuführenden Draht(senkrecht) nicht mehr ganz so hoch und die Verluste geringer. Durch Versuche mit dieser Anordnung ließ sich eine Verbesserung meiner Antenne um +6dB erreichen. Das ist immerhin die doppelte Empfangsspannung und entspricht einer Steigerung des Wirkungsgrades von nutzbaren 100%.

Ein geringer magnetischer Anteil der Strahlungsenergie wird durch den senkrecht nach oben führenden Draht erzeugt. Um ihn herum bildet sich ein horizontal liegendes magnetisches Feld aus, das hier bei der Marconi wegen des geringen Stromes relativ schwach ist. Jedoch werden erst durch die Kombination von elektrischem und magnetischem Feldern im Fernfeldabstand die wirksam strahlenden Funkwellen gebildet.

Vereinfacht könnte man die Marconiantenne nur als senkrecht auf den Erdboden aufgestellten Mast zeichnen. Tatsächlich gibt es diese Konstruktionen auch. Bei kurzen Wellen mit sehr hoher Frequenz ist das kein bauliches Problem. Unter einem Sammelbegriff nennt man sie auch Monopole, weil sie nur die Hälfte einer anderen bekannten Antenne darstellen, nämlich die Hälfte eines Dipols. Beim Dipol sind also zwei solcher Monopole angeordnet, was bei kurzen Wellen oft vorteilhafter ist und baulich keine Schwierigkeiten bereitet. Die Erde wird hier durch den zweiten Monopol nachgebildet. Wollte man einen senkrecht aufgestellten Dipol für 136 kHz bauen, dann müsste man zwei senkrechte Drähte ca. 1km nach oben führen. Man kann sich vorstellen, dass das nur mit einem Ballon ohne Aufwand auszuführen wäre, und obendrein noch ein windstilles Wetter herrschen müsste. Bei Wellenlängen um 2m(UKW) ist das aber einfacher. Hierzu genügt ein Meter Bauhöhe. Deshalb sieht man solche Antenne mit kurzen Metallstäben oft auf den Dächern der Häuser horizontal und vertikal montiert.

Magnetische Antenne
Wie schon der Name andeutet, wird hier gezielt die Abstrahlung der magnetischen Energie optimiert. Dazu ist es erwünscht, wenn im Antennegebilde möglichst große Hochfrequenzströme fließen. Am einfachsten wird dazu die "Spule" durch einen einzigen metallischen Ring gebildet. Mit großen Durchmessern solcher sog. Loop-Antennen erreicht man hinreichend große Induktivitäten. Der Schwingkreiskondensator muss dann aber von einem gewöhnlichen Plattenkondensator gebildet werden. Innerhalb dieses Kondensators versteckt sich das elektrische Feld und ist nach außen kaum nachzuweisen. Um den Ring herum bildet sich ein extrem starkes Magnetfeld, das zur Abstrahlung dient. Auch hier reißen in einiger Entfernung von der Loop die Feldkinien auf und es entsteht eine elektromagnetische Welle. Zur Erzeugung eines magnetischen Feldes fließen in der Spule(also im Ring) sehr starke Wechselströme. Der Ring wird deshalb aus gut leitenden Material(Kupfer oder Aluminium) hergestellt, damit die Wärmeverluste gering sind. Das folgende Bild zeigt die prinzipielle Konstruktion.



Ein- und Auskopplung
Dass beide Antennenformen einen elektrischen Serienschwingkreis bilden, sollte jetzt verständlich geworden sein. Wie aber kommt die Energie in die Antenne hinein oder heraus?

Man kann die Energie elektrisch oder magnetisch in den Schwingkreis einkoppeln. Sehr gebräuchlich ist die magnetische Einkopplung. Wenn man um die Spule eine zweite Spule konzentrisch anordnet, dann sind beide durch das sie durchdringende Magnetfeld magnetisch gekoppelt. Man sagt, sie bilden einen Transformator. Der Transformator wird so ausgeführt, dass er die hochfrequenten Ströme in den Schwingkreis induziert. Dann ist seine Primärwicklung meistens niederohmig, was gut zum inneren Widerstand des Senders passt, denn die sind heute fast alle mit 50 Ohm spezifiziert. Die Antenne hingegen hat oft einen größeren Eigenwiderstand, wenn es sich nicht gerade um die magnetische Antenne handelt. Dort findet man extrem kleine Schwingkreiswiderstände, was ja ein Merkmal des Serienkreises ist.

Ein Transformator ist ein ideales Bauelement, mit dem man bequem solche Widerstandstransformationen durchführen kann. Man passt dazu einfach die Wicklungen an. Das Verhältnis der Windungszahlen der zwei Spulen bestimmt die Widerstandstransformation.

Wenn nun eine Spule bei der Loop durch die einzige Windung(Ring) vorgegeben ist, kann man die andere durch geeignete Auslegung leicht anpassen, so dass der Sender einen Widerstand des Verbrauchers(Antenne) "sieht", der seinem inneren Generatorwiderstand größenmäßig entspricht. Denn nur dann, wenn ein Verbraucher(Energieumsetzer) denselben Widerstand wie der angeschlossenen Generator hat, wird die maximale Leistung übertragen. Es wäre ungünstig, diese Anpassung beider Einheiten nicht vorzunehmen. Die mögliche Höchstleistung des Generators(Sender) würde nicht von der Antenne abgestrahlt werden. Diese Leistungsanpassung ist immer wieder ein Thema unter den Funkamateuren. Sind sie doch alle bemüht, das Optimum aus ihrer Funkanlage herauszuholen.



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