Antennen-Technik

Wichtige Fakten und Erkenntnisse von praktischer Bedeutung, nicht nur für Funkamateure:

Antennen-Polarisation:
Dämpfung bei 90° Polarisationsdrehung (H <-> V): Theorie: -unendlich, Praxis: zumeist -20dB (max. -40dB)
Dämpfung bei 45° Polarisationsdrehung (H <-> V): Theorie: -3dB (45° Schräg-Montage einer Yagi deckt H & V gut ab)
Dämpfung lineare Polarisation (H/V) <-> zirkulare Polarisation (LHC/RHC): Theorie: -3dB (Helix deckt H & V gut ab)
Dämpfung gegensätzlicher zirkularer Polarisation LHC <-> RHC: Theorie: -unendlich, Praxis: (-20dB ?)

Antennen-Zusammenschaltung/Stockung (z.B. Yagis):
Gewinn bei Verdopplung von 1 auf 2 Antennen: Theorie: +3dB, Praxis: ~+2dB
Gewinn bei Vervierfachung von 1 auf 4 Antennen: Theorie: +6dB, Praxis: ~+4-5dB

Jede Vervierfachung der Antennen-Anzahl steigert den theoretischen Maximalgewinn JEWEILS um +6dB (eine S-Stufe), eher +4-5dB in der Praxis.
Jede Vervierfachung der Sendeleistung (z.B. 10W auf 40W) steigert den Signalpegel um +6dB (eine S-Stufe) am Empfangsort.

Eine Stockung bzw. Zusammenschaltung von 2 Antennen (ca. +2dB Gewinn) lohnt sich selbst für DX- oder Contest-Betrieb bei extrem schwachen Signalen im Rauschen (S1-3) kaum. Mehr Sinn macht ein Zusammenschalten von mindestens 4 Antennen (ca. +4-5dB Gewinn) um einen wirklichen Mehrwert an Signalgewinn zu erhalten.

Bei Stockung von Richtantennen (z.B. Yagis, Helix, Quads) ist eine vertikale Stockung einer horizontalen zu bevorzugen (z.B. 2 oder 4 übereinander anstelle von nebeneinander) da sich so der vertikale Öffnungswinkel verkleinert (unnütze Signal-Richtung nach oben und unten), kaum aber die Breite (horizontaler Öffnungswinkel), um weiterhin möglichst viele Signale aus verschiedenen Richtungen "einzufangen" bzw. damit die Strahlungskeule nicht zu spitz wird. D.h. man will durch Stockung eine Gewinnsteigerung erreichen, idealerweise aber ohne damit Signale rechts und links der Hauptstrahlrichtung abzuschwächen. Denkbare Ausnahmen wären nur Direktverbindungen zu festen Punkten, z.B. Richtverbindung zu einer entfernten (Relais-)Station sowie Erde-Mond-Erde (EME)-Verbindungen mit exakter, automatischer Nachführung der Antenne.

Die Zusammenschaltung/Stockung von Antennen erfolgt über Koax-Splitter/Verteiler, auch als Combiner bekannt. Da hiermit die Empfangs-/Sende-Leistung aufgeteilt wird, entstehen naturbedingt Verluste: Beim 2-fach-Verteiler -3dB (1/2 Leistung an 50Ω, pro Antenne) + Zusatzverluste, beim 4-fach-Verteiler -6dB (1/4 Leistung an 50Ω, pro Antenne) + Zusatzverluste. Diese Verluste werden durch den Antennen-Gewinn schließlich überkompensiert, sodaß unter dem Strich ein Gewinn verbleibt.

Beim Zusammenschalten von Antennen müssen die Kabellängen zu allen Antennen immer exakt gleich lang sein, da ansonsten Phasenunterschiede der sich addierenden Spannungen am Verteiler/Combiner auftreten, somit "Berg und Tal" der Signale gegeneinander verschoben sind und sich im Extremfall bei 180° Verschiebung gegenseitig auslöschen würden.

Beispiel-Rechnung des Gesamt-Gewinns einer 4er-Gruppe Yagi-Antennen:
10 dBd - Gewinn einer Einzelantenne
+6 dB - Leistungsgewinn an 50Ω durch Vervierfachung (P x 4)
-1 dB - Zusatzverluste im Koax-Splitter und durch Stecker/Buchsen (kleine Fehlanpassungen, Übergangswiderstände)
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15 dBd - maximaler Gesamtgewinn der 4er-Gruppe
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Wie man sieht erreicht man mit einer Stockung bzw. Zusammenschaltung von Antennen in der Praxis nur minimale Verbesserungen - bei der 4er-Gruppe im Beispiel oben mit +5dB noch nicht einmal eine S-Stufe (6 dB). Leider multipliziert sich der Gewinn aller Einzelantennen eben nicht (4x 10dBd). Um eine weitere S-Stufe (6 dB) Gewinn zu erzielen müßte die Anzahl der Antennen nun von 4 auf 16 erhöht werden. Damit würde der Gewinn dann unter Berücksichtigung von Verlusten nochmals um etwa +4-5dB ansteigen. Bei einer 16er-Gruppe steigt der Gewinn also insgesamt um etwa +10dB (6dB+6dB-2dB Verluste) gegenüber einer einzelnen Antenne, also gerade einmal knapp 2 S-Stufen. Nicht gerade viel für so ein großes Gebilde!

Hörbarkeitsgrenze/Empfindlichkeit/dB/Stockung:
Ein mit 1kHz moduliertes FM-Signal an der Empfindlichkeitsschwelle des FM-Empfängers, also tief im Rauschen bei S1, gerade noch wahrnehmbar, verbessert sich in +2dB-Schritten jeweils hörbar, wobei eine Erhöhung des Pegels um lediglich +1dB fast unhörbar bleibt. D.h. an der Hörbarkeitsgrenze empfangene Signale profitieren schon ab +2dB mehr Gewinn bzw. -2dB weniger Verlust oder +2dB höherer Sendeleistung (Sendeleistung x 1,58). Dies könnte im Grenzbereich einer Verbindung zwischen Erfolg und Miserfolg entscheidend sein. Allerdings wird ein gerade noch zu erahnendes Signal um +2dB stärker kaum an Lesbarkeit gewinnen und vermutlich unverständlich bleiben. Auch bei etwas stärkeren Signalen (vielleicht ab S4-5) fallen +2dB dann erwartungsgemäß kaum noch ins Gewicht. Daher sollten mindestens 4 Antennen zusammengeschalten werden um zumindest etwa +5dB an Mehrgewinn zu erzielen und die Lesbarkeit des Signals bis zur Verständlichkeit zu erhöhen. Grundlage: Eigene Experimente mit Signalgenerator und Empfänger.

S-Parameter (Antennen, Verstärker, Filter...)

S11: Eingangs-Reflektion (return loss), korrespondiert mit der Anpassung
S12: Dämpfung in Rückwärtsrichtung (isolation)
S21: Verstärkung/Dämpfung in Vorwärtsrichtung (gain/insertion loss)
S22: Ausgangs-Reflektion (return loss), korrespondiert mit der Anpassung

Typische S11-Werte für eine optimal angepasste Antenne sind über -20dB Rückflussdämpfung. D.h. im Sendefall bei 100W Sendeleistung wird 1W (-20dB) zurück in den Sender reflektiert. Dies sagt allerdings nichts über die Antenne selbst und deren Gewinn aus, denn auch ein 50Ω Abschlusswiderstand hat im Idealfall eine unendlich hohe Rückflußdämpfung. Es wird nichts reflektiert.

Merke:

S = Streuparameter (scattering parameters)
1 = Eingang
2 = Ausgang
Reihenfolge = Bezugsrichtung der Messung (S21: Ausgangssignal an 2 bezogen auf das Eingangssignal an 1)