mini|Yagi-Antennen zum Empfang von horizontal und vertikal polarisierten elektromagnetischen Wellen Eine Antenne ist eine technische Anordnung zur Abstrahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen, oft zur drahtlosen Kommunikation. Als Sendeantenne wandelt sie leitungsgebundene elektromagnetische Wellen in Freiraumwellen um, oder umgekehrt als Empfangsantenne die als Freiraumwelle ankommenden elektromagnetischen Wellen zurück in leitungsgebundene elektromagnetische Wellen.
Es wird unterschieden zwischen elektrischen Antennen, z. B. eine elektrische Dipolantenne, die die elektrische Komponente zur Erzeugung und Empfang der elektromagnetischen Feldes nutzt, und Magnetantennen, z. B. einem magnetischen Schlitzdipol, primär die magnetische Komponente zum Empfang und bei manchen Typen auch zum Senden der elektromagnetischen Wellen verwendet wird. Im Fernfeld einer Antenne ist nicht zu unterscheiden, ob eine Antenne die elektrische oder magnetische Komponente zur Erzeugung der elektromagnetischen Felder nutzt.
Die Entfernung, ab wann sich bei einer Antenne mit einem Reflektor oder einem Antennen-Array das Fernfeld und damit das Antennendiagramm und der Antennengewinn ausbildet hat, hängt sowohl von der Wellenlänge λ [m] als auch von den physikalischen Abmessungen der Antenne, des Reflektors, sowie des gesamten Antennen-Arrays ab. Der notwendige Abstand bis sich eine kleine Empfangsantenne im Fernfeld der Sendeantenne befindet und umgekehrt, errechnet sich folgendermaßen:
Dabei sind dBreite [m] die maximale physische Abmessung der Antenne und λ [m] die Wellenlänge.
Bei, im Vergleich zur Wellenlänge physikalisch kleinen Antennen bildet sich das Fernfeld schon in kleinen Entfernungen aus. So beginnt das Fernfeld bei einem horizontal polarisierten λ/2-Dipol mit einer Breite von 1,3875 m und einer Wellenlänge von λ = 2,775 m (entspricht 108.100 MHz dem untersten Kanal des Landekurssenders eines Instrumentenlandesystems (engl. Instrument Landing System Localizer, ILS-LLZ)) schon ab 1,3875 m. Zum Beispiel beim Antennen-Array des Landekurssenders, das aus 12 Dipolantennen-Elementen vor einer ca. 27 m breiten Reflektorwand besteht (Antennentypen: SEL 12+3 oder Thales-ILS-4000) ist bei der gleichen Wellenlänge λ = 2,775 m schon ein Mindestabstand von dfarfield ≥ 526 m nötig, damit sich die Empfangsantenne eines Luftfahrzeuges im Fernfeld befindet. Bei noch breiteren ILS-LLZ-Antennen-Arrays, z. B. mit 20 Dipol-Antennen-Elementen vor einer 49 m breiten Reflektorwand (Typ SEL 20+5 Antenne, ILS-4000) ist der notwendige Mindestabstand schon auf dfarfield ≥1730 m angewachsen, und wächst bei einer weiteren Verbreiterung des ILS-LLZ-Antennen-Arrays auf 75 m mit 32 LPD-Antennen-Elementen (Ultra-Wide-ILS-LLZ-Antennen-Arrays des Instrumentelandesystems des Typs Normac 7000) auf dfarfield ≥ 4054 m an.
Wesentlich für die Funktion einer Antenne ist die Transformation des Wellenwiderstandes der Leitung durch die Antennenanordnung in den Wellenwiderstand des Vakuums. Dabei entsteht wie zuvor beschrieben die elektromagnetische Freiraumwelle erst im Fernfeld. Anordnungen für Frequenzen unterhalb der Schumann-Resonanzen von etwa 16 Hz können aufgrund der großen Wellenlänge von ca. 18.750.000 m auf der Erde keine Freiraumwelle erzeugen.
Die Baugröße von einfachen Antennen liegt für den besten Wirkungsgrad in der Regel in der Größenordnung von ca. einem Viertel der Wellenlänge λ (griechisch: Lambda) bei vertikalen Monopol-Antennen auf einer ausreichend großen Reflektorfläche, und mindestens in der Größenordnung der halben Wellenlänge für symmetrische Antennen, z. B. Dipol-Antennen. Durch technische Maßnahmen, z. B. physikalisch sehr dicke Antennen, Endkapazitäten oder Induktivitäten, können auf Kosten des Wirkungsgrads der Antenne die mechanischen Abmessungen innerhalb gewisser Grenzen stark verringert werden. Davon wird vor allem bei sehr niedrigen Frequenzen Gebrauch gemacht, wenn aufgrund der zunehmend größer werdenden Wellenlängen die notwendigen Abmessungen, wenn überhaupt, nicht realisierbar sind. So würde z. B. für einen VLF-Sender (englisch very low frequency, dt. Längstwellensender) ein λ/4-Strahler von 4360 m Länge benötigt, während jedoch die reale Länge der Antenne des VLF Maschinensenders Grimeton auf 17,2 kHz die an 127 m hohen Türmen an Auslegern angehängt ist nur 2,2 km beträgt. Im 1,5 THz-Frequenzbereich (entspricht 1.500 GHz bzw. 1.500.000 MHz) entspricht 1/2 λ einer Länge von lediglich 1 mm.mpg.de 1,5-THz-Astronomie.
Sofern von einer Antenne ein höherer Antennengewinn, eine hohe Richtwirkung oder ein bestimmtes Strahlungsdiagramm benötigt wird, und es können diese Eigenschaften nicht mit einfachen Monopol- oder Dipol-Antennen-Strahler erzeugt werden, dann müssen mehrere Richt-Antennen, z. B. Yagi oder Logarithmisch-Periodische-Dipolantenne (LPD) zu einer Phased-Array-Antenne (dt. Gruppenantenne) zusammengeschaltet werden. Alternativ können ggf. die gewünschten Eigenschaften der Antenne durch Reflektoren, z. B. winkel- oder parabolförmige Reflektoren, realisiert werden. Mit zunehmendem Antennengewinn und der damit verbundenen stärkeren Bündelung der Strahlung wird das horizontale und vertikale Strahlungsdiagramm der Hauptkeule schmäler. Jedoch nimmt dabei auch die Stärke der Nebenkeulen des Antennendiagramms zu. Je nach Antennentyp werden dann die mechanischen Abmessungen der Antenne, d. h. Breite, Höhe und/oder Tiefe größer.
Geschichte mini|Dipolantenne mit Anpassung (Lecher-Leitung) für ungefähr 2 GHz
Antennen aus gestreckten Drähten gehen zurück auf den Physiker Heinrich Hertz, der mit seinen Versuchen die theoretischen Vorhersagen des Physikers James Clerk Maxwell aus dem Jahr 1865 überprüfen wollte. Am 11. November 1886 gelang ihm der erste experimentelle Nachweis der Übertragung elektromagnetischer Wellen von einem Sender (Hertzscher Dipol, Hertzscher Oszillator) zu einer Empfangsantenne.Albrecht Fölsing: Heinrich Hertz. Hoffmann und Campe, Hamburg 1997, ISBN 3-455-11212-9, S. 275. Die verwendete Wellenlänge lag mit etwa 2 m im heutigen UKW-Bereich.
Im Jahre 1893 begann Nikola Tesla Experimente mit verschiedenen einfachen Oszillatoren wie Funkenstrecken und konnte Ende 1896Zitate aus dem www: Nikola Tesla – Erfinder, Wissenschaftler und Phantast zwischen einer Sendestation in New York und einer 30 Kilometer entfernten Empfangsstation auf zwei Megahertz gute Fernübertragungsergebnisse erzielen. Am 2. September 1897 meldete er zwei Patente (Nr. 649.621 und 645.576) zur drahtlosen Energieübertragung an.
Guglielmo Marconi stellte am 10. Mai 1897 sein Verfahren der Öffentlichkeit vor und sendete Signale über den Bristolkanal. Im Oktober 1897 betrug die Distanz 15 km. Auf Marconi geht auch der Begriff „Antenne“ zurück, der gegen Anfang des 20. Jahrhunderts von den meisten europäischen Sprachen übernommen wurde. Als antenna bezeichnete er indes zunächst nur Funkempfänger (erstmals 1895), erst in späteren Schriften dann auch Sendeanlagen. Das Wort „antenna“ bedeutete ursprünglich „Segelstange“ (Rah), war aber auch als zoologische Bezeichnung für die Fühler von Insekten, Spinnentieren oder Schnecken in Gebrauch. Das Etymologische Wörterbuch der deutschen Sprache hält daher sowohl eine Ableitung von der Form (Stange) als auch von der Funktion (informationsaufnehmendes Instrument) für möglich.Friedrich Kluge: Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache. 22. Auflage. De Gruyter, Berlin/New York 1989, S. 32f. Der Linguist Jost Trier hat in zwei Fachaufsätzen die These vertreten, dass hier die Analogie zur Zoologie, also zu den mit zahlreichen Rezeptoren ausgestatteten tierischen Fühlern entscheidend war.Jost Trier: Antenne. In: Ulrich Engel u. a. (Hrsg.): Festschrift für Hugo Moser: Zum 60. Geburtstag am 19. Juni 1969. Pädagogischer Verlag Schwann, Düsseldorf 1969, S. 193–201, und ders. Eine homologische Funktionsmetapher der modernen Technik: Antenne. In: Jost Trier: Wege der Etymologie. Hrsg. von Hans Schwarz. Erich Schmidt Verlag, Berlin 1981, S. 118–125.
Mit einer Drachenantenne in 100 m Höhe überbrückte Marconi 1901 als Erster den Atlantik von Irland nach Neufundland. Marconi erhielt 1909 neben Ferdinand Braun den Nobelpreis in Physik für die Entwicklung der drahtlosen Telegraphie. Nach ihm ist die Marconi-Antenne benannt.
Der Erste Weltkrieg markiert 1914 den eigentlichen Beginn der Antennentechnik. Man benutzte zunächst Rahmenantennen als Empfänger, um 1920 folgten Antennenarrays (s. u.), später Hornstrahler und Parabolantennen.
Prinzip mini|Animation: Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle einer Dipolantenne: Nur der elektrische Feld-Anteil der Welle wird hier gezeigt. mini|Animation: Empfang einer Funkwelle einer Dipolantenne
Ganz allgemein kann man Antennen als Koppelelemente zwischen geführten und ungeführten elektromagnetischen Wellen, d. h. als Wandler zwischen Leitungs- und Freiraumwellen, auffassen. Quelle ist immer ein elektrischer oder magnetischer Dipol. Durch eine (Raum-)Transformation im Nahbereich, bei der die Richtungen der Felder (innerhalb der Fortpflanzungsgeschwindigkeit) gedreht werden, entsteht im Fernbereich die gelöste Wellenfront einer elektromagnetischen Welle.
mini|Fernfeld einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle im Vakuum. Die monochromatische Welle mit Wellenlänge breitet sich x-Richtung aus, die elektrische Feldstärke (in blau) und die magnetische Flussdichte (in rot) sind senkrecht dazu. Elektromagnetische Wellen bestehen aus polarisierten elektrischen und magnetischen Feldern, die sich durch Kopplung wechselseitig erzeugen und im Vakuum ohne Verluste als Transversalwellen räumlich ausbreiten. Bei vorgegebenen Randbedingungen liefern die Maxwellschen Gleichungen eine exakte Beschreibung. In der Praxis berechnet man die Abstrahlung der Energie analytisch durch Modelle oder mit numerischen Näherungsverfahren.
mini|Entstehung einer λ/2-Dipolantenne aus einem Schwingkreis, blau: elektrische Felder, rot: magnetische Felder Eine Antenne erzeugt immer sowohl elektrische als auch magnetische Felder. Die Grafik erläutert am Beispiel einer resonanten Dipolantenne, wie aus einem Schwingkreis aus Kondensator und Spule (Start der Animation) durch räumliche Erweiterung (ausklappen der Stäbe, bzw. Erzeugung der Raumtransformation durch 90°-Drehung des elektrischen Feldes) eine Antenne entsteht: Die Leiterstäbe werden dabei je um ±90° nach außen gedreht und zwischen den Stäben wirken elektrische Felder (blau gezeichnet); längs der Leiterstäbe wirken magnetische Felder (rot als Kreis gezeichnet). Die Felder breiten sich nicht unendlich schnell, sondern mit Lichtgeschwindigkeit aus und innerhalb dieses sog. „Informationsdurchmessers“ mit v ≤ c sind die Felder über Ursache und Wirkung gekoppelt (Durchmesser der Kugel: λ/2). Wird die Antenne resonant angeregt, bilden sich geschlossene Feldlinien; das sich ändernde elektrische Feld erzeugt zugehörige magnetische Feldlinien, das sich ändernde magnetische Feld erzeugt zugehörige elektrische Feldlinien. Im Nahbereich der Antenne bildet sich ein Blindfeld, d. h., die Ausbreitung der Felder geschieht von der Quelle weg und wieder zurück. Das sich ausbreitende Feld verliert am Randbereich die Kopplung an die Antenne, wenn sich die Richtung der Feldvektoren umkehrt. Die Felder werden durch die Umkehr abgestoßen und können nicht mehr zurück zur Antenne. Eine elektromagnetische Welle wird in den Raum abgestrahlt. Außerhalb des „Informationsdurchmessers“ (Fernfeld) gibt es keine Kopplung an die Antenne mehr, da die Lichtgeschwindigkeit für die Übertragung von Informationen nicht überschritten werden kann.
Die technische Erzeugung der elektromagnetischen Wellen erfolgt mit einer elektrischen oder einer magnetischen Feldquelle aus einem speisenden Wechselfeld bzw. Wechselstrom. Dementsprechend gibt es als elementares Grundelement (d. h. Länge < λ/10) zur Felderzeugung nur: den elektrischen Dipol (Stabform), sowie den magnetischen Dipol (Schleifenform).