Warum sagen wir, dass eine Antenne einen Gewinn hat?
Warum sagen wir, dass eine Antenne einen Gewinn hat?Datum der Veröffentlichung: 19-01-2024 Datum der Aktualisierung: 10-04-2026 🕒 9 Min. Lesezeit
Der Aufbau und die Funktion der Antennen gehören zu den komplexesten Themen im Bereich der Elektronik. Dabei haben wir relativ oft das Bedürfnis, eine Antenne zu erwerben – nicht nur während der Bearbeitung der eigenen Elektronik-Projekte, sondern auch zum Empfang des Fernsehsignals oder um den Empfang des Heim-WLANs zu erweitern. Bei dieser Gelegenheit haben wir alle wohl den Begriff des „Antennengewinns“ gehört. Aber was bedeutet das eigentlich?
Einerseits hat der Aufbau einer Antenne fortgeschrittene theoretische Grundladen, andererseits basiert die Praxis der Funkkommunikation auf Experimenten und Testen und unterliegt einer ständigen Entwicklung. Die Anfänger unter den Elektronikern, die Informationen überAntennen suchen, können sich schnell mit komplexen mathematischen Formeln erdrückt fühlen, die voller Bezüge auf Trigonometrie und Stereometrie sind. Natürlich sind sie unabdingbar, um das Thema gründlich zu verstehen, aber ein Elektroniker-Amateur (insbesondere ein Anfänger) soll sich in der ersten Reihe auf dem Verständnis der grundlegenden Themen aus dem Bereich der Emission und des Empfangs der Funkwellen konzentrieren. Dies wird es ermöglichen, Missverständnisse zu vermeiden und wird es erleichtern, das optimale Zubehör auszuwählen.
In diesem Artikel beantworten wir folgende Fragen:
- Worin besteht die Funkübertragung?
- Wie funktioniert eine Antenne?
- Was bedeutet die Richtcharakteristik einer Antenne?
- Warum werden die Antennenparameter in Dezibel angegeben?
- Wie ist der Antennengewinn zu verstehen?
Versuchen wir also, solche Begriffe wie „Antennengewinn“, „Richtcharakteristik“ oder „dBi“ zu erklären, ohne sich durch die Trigonometrie entmutigen zu lassen. Versuchen wur einfach, die Phänomene zu verstehen, auf die sich diese Begriffe beziehen – und überlegen wir uns, warum man solche Einheiten benutzt, um sie zu beschreiben.
Die Grundbegriffe
Freunden wir uns zuerst mit der Terminologie an, die in der Funktechnik verwendet wird. Zum Glück gibt es dort viele Begriffe, die wir aus der Theorie und der Praxis der Elektronik bereits kennen. Ein bisschen Vorstellungsvermögen reicht aus, um die Funkwellen zu visualisieren und zu verstehen, wie sie für die Datenübertragung genutzt werden.
Elektromagnetisches Feld, elektromagnetische Wellen und Strahlung
Elektromagnetisches Feld ist ein Zustand des Raumes. Wie der Name schon sagt, besteht es aus zwei Feldern: einem elektrischen und einem magnetischen Feld, die sich einander beeinflussen. Die Beispiele dieser Auswirkung kennen wir ganz genau aus der Praxis, weil diese Phänomene in folgenden Bereichen genutzt werden:
- Motoren (der in der Spule fließende Strom regt das magnetische Feld an und verursacht das Abstoßen oder das Anziehen der Spule an den Magnet);
- Generatoren, Lichtmaschinen usw. (der sich bewegende Magnet regt den elektrischen Strom im Leiter an).
Elektromagnetische Welle ist eine Störung des elektromagnetischen Feldes. Sie verbreitet sich im Raum mit einer Geschwindigkeit von ca. 300 Mio. m/s (dieser Wert wird nicht ohne Grund Lichtgeschwindigkeit genannt). In anderen Worten bewegt sich der Zustand des elektromagnetischen Feldes im Raum mit dieser Geschwindigkeit. Daher lässt sich einfach ein folgender Schluss ziehen: wenn die Störungen eine Frequenz von 1 Hz haben (also ihr Verlauf sich einmal pro Sekunde wiederholt), beträgt die Wellenlänge etwa 300 000 000 m. In der Praxis sind die Wellenlänge und die Wellenfrequenz das Maß derselben Eigenschaft. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Welle. In den Formeln und in der Parametrisierung wird die Frequenz mit f bezeichnet (vom eng.frequency), und die Wellenlänge mit dem griechischen Symbol λ (Lambda).
Die sich im Raum verbreitenden Wellen bilden die Strahlung. Meistens haben wir mit der Strahlung zu tun, die wir umgangssprachlich Licht nennen. De facto bedeutet das, dass die Quelle der Veränderungen des elektromagnetischen Feldes führt sie mit einer Frequenz von 400 THz bis 790 THz (Terahertz) durch, also bildet die Wellen mit Längen von 380 nm bis 700 nm (Nanometern). Eine solche Strahlung registrieren wir mit unseren Augen. Die Wellen mit anderen Frequenzen existieren natürlich auch, sind aber für das menschliche Auge unsichtbar.
Funkwellen, Senden und Empfangen, Antennen
Wenn die Länge der elektromagnetischen Welle 1 m überschreitet (Frequenzen unter 300 MHz), haben wir mit Funkwellen zu tun. Ähnlich wie im Falle des Wortes „Licht“, bezieht sich diese Bezeichnung nicht auf ein separates Phänomen, sondern zeigt lediglich, über welche Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung die Rede ist. Aktuell nutzt man für die kabellose Übertragung nicht nur die Funkwellen, sondern auch Mikrowellen mit Frequenzen bis 5 GHz.
Daraus ergibt sich die Frage:Wie sendet und empfängt man die Funkwellen?**
Abb. 1. Animation, die die Anregung des elektrischen Stroms durch elektromagnetische Wellen visualisiert. [Quelle: Wikipedia Commons]
Wie bereits erwähnt wird die elektromagnetische Strahlung durch den elektrischen Strom erzeugt, der im Leiter fließt. Wenn der Strom im Leiter ein Wechselstrom ist, dessen Frequenz (beispielsweise) 100 MHz beträgt, beginnt der Leiter, ein Funksignal mit dieser Frequenz zu „senden“. Analog: in einem Leiter, auf den die Funkwellen mit einer Frequenz von 100 MHz wirken, wird ein Wechselstrom mit derselben Periode angeregt. Ein solches „Kabel“, oder genauer gesagt Leiter, wenn er daran angepasst ist, Sendefunktionen zu erfüllen, wird Strahler genannt, oder allgemeiner (und wenn wir auch über den Empfang reden) – eine Antenne.
Es soll dabei beachtet werden, dass die Antennenkonstruktionen komplex sein und Elemente wie Reflektoren oder Direktoren umfassen können, die nicht direkt an den Sender angeschlossen werden.
Eine Muster-Dipolantenne
Die einfachste Antennenart ist ein Dipol (Abb. 1 und 2). Er wird in allen Kommunikationstechnologien allgemein angewendet – von den Funksignalen bis hin zur digitalen Datenübertragung. Er besteht aus zwei Leitern von gleicher Länge, die in einer geraden Linie platziert wurden und an die Linie des Senders/Empfängers in der Nähe des zentralen Punktes angeschlossen sind.Aufgrund seines einfachen Aufbaus, seiner Wiederholbarkeit und der Einfachheit des theoretischen Modellierens wird ein Muster-Dipol als Bezugspunkt bei der Berechnung des Antennengewinns verwendet, aber dieses Thema behandeln wir etwas später.
Abb. 2. Ein Verbrauchermodell einer Dipol-Antenne mit einstellbarer Schenkellänge.
Isotrope Quelle
Die andere Antennenart, auf die sich oft die Formeln und Parameter der Funkkommunikationsprodukte beziehen, ist die isotrope Quelle. Im Gegensatz zum Dipol handelt es sich um ein rein theoretisches Objekt. Es hat keine Größe, weil er ein Punkt im Raum ist. In der Praxis sind die Objekte, die einer isotropen Quelle am nächsten Liegen, die aus einer großen Entfernung sichtbaren Sterne – sie erzeugen elektromagnetische Wellen, die sphärisch strahlen. Eine isotrope Antenne ist ein Objekt, das die elektromagnetischen Wellen empfängt (auch punktuell und aus allen Richtungen). In beiden Fällen wird angenommen, dass die durch ein solches Objekt empfangene (gesendete) Energie keinen Verlusten unterliegt (die in der Praxis u.a. durch den Widerstand und die Impedanz verursacht werden).
Richtcharakteristik einer Antenne
Da das isotrope Element ein theoretischer Punkt, empfängt und strahlt es mit gleicher Leistung in alle Richtungen. In der Praxis brauchen wir selten Antennen, die auf eine solche Art funktionieren.
Abb. 3. Die meisten Elemente einer Yagi-Antenne sind Reflektoren und Direktoren, deren Aufgabe ist es, eine hohe Richtcharakteristik zu erhalten.
Betrachten wir ein Beispiel des Empfangs und der Sendung des terrestrischen Fernsehens. Wenn wir das DVB-T-Signal empfangen wollen, überprüfen wir zuerst, wo sich der nächste Sender befindet. Der Empfang der Signale aus allen Richtungen ist überflüssig, weil die uns interessierende Quelle ein konkreter Standort sein wird. Deswegen werden die Richtungsantenne zum Fernsehempfang verwendet, mit denen der Installateur die Sendestation „abzielt“ . Ein Beispiel einer solchen Antenne ist der Typ YAGI, in dem lediglich ein kleiner Dipol, der nah am Reflektor sich befindet (Abb. 3) an den Empfänger angeschlossen ist – alle anderen Elemente des Geräts dienen zur Verstärkung des Signals, das aus einer gegebenen Richtung (und mit einer gegebenen Frequenz) fließt und Dämpfung der Signale, die aus anderer Quellen stammen, um die Störungen zu reduzieren.
Ähnlich sieht die Lage im Falle des Sendens des Fernsehsignals aus. Wenn die Übertragung für die ganze Stadt stattfinden soll, möchten wir mit der Strahlung ein möglichst großflächiges Gelände bedecken – die Wellen sollen sich also mehr oder weniger parallel zur Grundfläche verbreiten. Die Leistung, die die Station für die Signalübertragung in den Himmel verbrauchen würde, wäre dabei verschwendet. Genauso besteht kein Bedarf, die nah an der Station gelegenen Gebäude mit Signal abzudecken, weil selbst ein schwächeres Signal dort eine relativ hohe Leistung haben wird.
Abb. 4. Die Fassungen der Laternen richten die Strahlung in die erwünschte Richtung.
Eine einfache Analogie, die es erleichtert, sich die Richtcharakteristik der Antenne zu visualisieren, ist eine einfache Lampe oder Laterne. Die Glühbirne strahlt das Licht mehr oder weniger sphärisch (also ähnlich einer isotropen Quelle), und das Gehäuse der Lampe ist im Inneren weiß oder silberfarben verarbeitet, um das Licht gut zu reflektieren. Das Ziel dieser Maßnahme ist es, die von der Glühbirne emittierte Strahlung so zu richten, dass das Licht auf den Gehweg oder auf die Straße fällt, anstatt teilweise in sie Stratosphäre zu flüchten (Abb. 4).
Dezibel (dB) und logarithmische Skala
Die Richtcharakteristik einer Antenne wird in ihrer Dokumentation dargestellt. Meistens wird das in Form von zwei Diagrammen (waagerechter und senkrechter Charakteristik) oder eines 3D-Graphs gemacht. Auf diese Art wird Folgendes visualisiert:
- die räumliche Verteilung der Leistung, die durch die Antenne gestrahlt wird (im Falle einer Sendeantenne);
- das Verhältnis zwischen der Richtung, aus der die elektromagnetischen Wellen stammen, und der elektrischen Leistung, die in der Antenne angeregt wird (im Falle einer Empfangsantenne).
Nehmen wir zum Beispiel die Antenne 6024B300LL100SMA von 2J aus dem Angebot von TME (Abb. 5.). Es handelt sich um ein Produkt, das für die Kommunikation in LTE-Netzwerken dient, u.a. im Band von 2 600 MHz (die Richtcharakteristik und der Gewinn wird für konkrete Frequenzen angegeben, an die die Antenne angepasst wurde). Da dieser Artikel zum Platzieren auf dem Dach eines Autos oder zur Befestigung an ein Metallgehäuse bestimmt ist, ist die Leistung, die durch die Antenne nach unten (negative Werte entlang der z-Achse) emittiert wird, deutlich geringer als die Leistung, die nach oben gestrahlt wird (also in die Richtung der Relais des Mobilfunks). Mit dem Empfang wird die Lage genauso aussehen.
Abb. 5. Richtcharakteristik einer LTE-Antenne in Form eines Diagramms und der Graphen.
Beachten wir, dass die Leistung nicht in Watt, sondern in Dezibel angegeben wurde. Das ist eine übliche Praxis und hat zwei Begründungen:
- Die dargestellten Werte sind relativ (je nach der Leistung des Senders, die unbekannt ist), also ihre Angabe in Watt ist unmöglich.
- Dezibel (dB) ist eine Einheit in logarithmischer Skala, die die Darstellung der Daten erleichtert, die sich durch hohe Abweichung der Werte auszeichnet.
Wenn wir auf einem Diagramm Werte in dB sehen (im Gegensatz zu dBW, dBi und dBd), bedeutet das, dass der Hersteller das Verhältnis zwischen der an die Antenne gelieferten und der abgestrahlten Leistung angibt. Wie aus den Graphen ersichtlich (Abb. 5), werden die elektromagnetischen Wellen nach oben mit einer Leistung von ca. 5 dB in Bezug auf die Senderleistung emittiert. Dies ist ein Verhältnis von ca. 1 zu 3,16. Natürlich kommt ein solcher Gewinn nicht von nirgends - diesen Wert erhalten wir auf Kosten der beschränkten Strahlung nach unten, wo die Ausgangsleistung auf ca. -23 dB fällt (1 zu 0,005).
Vereinfachte logarithmische Skala, die verwendet wird, um das Leistungsverhältnis zu bestimmen, sieht folgendermaßen aus:
| Wert in dB | üngefähres Produkt | Entsprechender logarithmischer Wert |
|---|---|---|
| 30 | 1000 | 1000 |
| 20 | 100 | 100 |
| 13 | 20 | 19.9526 |
| 10 | 10 | 10 |
| 6 | 4 | 3,98107… |
| 3 | 2 | 1,99526… |
| 0 | 1 | 1 |
| -3 | 1/2 | 0,501187… |
| -6 | 1/4 | 0,251189… |
| -10 | 1/10 | 0,1 |
| -13 | 1/20 | 0,0501187… |
| -20 | 1/100 | 0,01 |
| -30 | 1/1000 | 0,001 |
Antennengewinn
Wenn wir das allgemeine Verständnis der Antenneneigenschaften haben, können wir uns mit ihrem meist praktischen Parameter beschäftigen: dem Antennengewinn.
Der Antennengewinn berücksichtigt nicht nur die Richtcharakteristik der Antenne, sondern auch ihre Effektivität, die von elektrischen Eigenschaften (z.B. dem Widerstand des Strahlers) beeinflusst wird. Dieser Parameter gibt dem Benutzer eine ungefähre Ahnung davon, wie sich die Antenne in der Praxis verhalten wird. Üblicherweise wird der Antennengewinn durch die Messung ihrer Strahlung (oder der Empfangsqualität) im Punkt der besten Richtcharakteristik angegeben. Im oben erwähnten Beispiel der Antenne 2J (Abb. 5) wäre das der Gipfel des Körpers auf der z-Achse.
Der Gewinn wird in den Einheiten dBi oder dBd dargestellt. Dies ist ein in Dezibel ausgedrückter Gewinn in Bezug auf eine isotrope Antenne (dBi) oder einen Muster-Dipol (dBd).
In anderen Worten: der Antennengewinn ist der Verhältnis der von einer gegebenen Antenne empfangenen (ausgestrahlten) Energie zur Energie, die eine theoretische Antenne, die an denselben Empfänger (Sender) angeschlossen wäre, empfangen (ausstrahlen) würde. Dabei gehen wir von einer Leistungsmessung in die optimale Richtung aus.
In meisten Fällen werden wir den Antennengewinn ausgedrückt in dBi sehen – das ist jedoch ein Bezug auf eine theoretische Antenne, die nicht konstruiert werden kann und die 100 % der gelieferten Energie abstrahlt. Deswegen wird die Muster-Dipolantenne während der Messungen in den Labors verwendet, und aufgrund der Werte, die mit ihrer Hilfe erzeugt werden, wird der isotrope Wert ermittelt. Zu diesem Zweck kann man folgende Näherung nutzen: GdBi ≈ GdBd + 2,15 dB. Dabei ist G Gewinn vom eng. gain.
Die Einheit dBW
In Texten, in denen von der Leistung des Senders die Rede ist, wird dieser Wert manchmal in Dezibel Watt (dBW) angegeben. Diese Einheiten haben keinen Bezug auf die Antennen und ihren Gewinn – es handelt sich um die Methode, die Leistungseinheit als Verhältnis zu einem Watt darzustellen. Also: 0 dBW = 1 W, 10 dBW = 10 W, 20 dBW = 100 W usw. (nach der obigen Tabelle).
Transfer Multisort Elektronik (TME) gehört zu den weltweit größten Distributoren für elektronische Komponenten, elektrotechnische Bauteile, Werkstattausrüstung und industrielle Automatisierung. Der Katalog umfasst über 1.500.000 Produkte von 1.300 führenden Herstellern. Moderne Logistikzentren von TME in Łódź und Rzgów (Polen) mit einer Gesamtfläche von über 40.000 m² versenden täglich fast 6.000 Pakete an Kunden in mehr als 150 Ländern.
TME engagiert sich zudem für die Förderung der Kenntnisse und Fähigkeiten junger Ingenieure und Elektronikbegeisterter durch das Projekt TME Education und unterstützt die Tech-Community mit der Veranstaltungsreihe TechMasterEvent, die Innovation und Erfahrungsaustausch fördert.
