Parabolantenne

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Dieser Artikel behandelt Parabolantennen und ihre Technik, für Parabolantennen zum Rundfunkempfang über Fernsehsatelliten siehe Parabolantenne (TV).

Eine Parabolantenne, umgangssprachlich auch Antennenschüssel oder Satellitenschüssel genannt, bündelt Mikrowellen-Strahlung im Brennpunkt eines metallischen Parabolspiegels. Dort wird die Strahlung von einem Detektor, meist einem Hornstrahler, erfasst und weitergeleitet.

Parabolantenne der Erdfunkstelle Raisting, Bayern
13,5-m-Ka-Band-Antenne in Redu
Parabolantenne mit 2,70 m Durchmesser, ein Exponat auf dem Funkerberg in Königs Wusterhausen
Radarantenne mit Cassegrain-Hilfsspiegel (links) und Erreger (rechts vor dem Hauptspiegel)
Eine Offsetsatellitenantenne
Parabolantenne eines C-Band-Radars mit 15 m Durchmesser
Parallel einfallende Strahlung wird im Brennpunkt gebündelt.

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

Zur Kommunikation mit erdnahen Satelliten verwendet man Reflektoren mit Durchmessern von 10 m und mehr. Große Parabolantennen mit Durchmessern von bis zu 100 Metern findet man in den Bodenstationen zur Überwachung und Steuerung von interplanetaren Raumflugkörpern, bei Radioteleskopen und bei Radargeräten zur extraterrestrischen Anwendung. ESTRACK ist der Name des "Deep Space"-Netzwerks der ESA, das diese Aufgaben wahrnimmt.

Die Antenne des Arecibo-Observatoriums mit 304,8 m Durchmesser ist keine Parabolantenne, sondern sphärisch.[1]

Technische Daten[Bearbeiten]

Der Gewinn G einer Parabolantenne steigt mit der Antennenfläche A und sinkt mit der Wellenlänge λ, \eta_\mathrm{eff} ist ein dimensionsloser Parameter und steht für die Apertureffizienz. Typische Werte für Parabolantennen liegen zwischen 0,55 und 0,6:

(1)  
G=\frac{4\pi}{\lambda^2}\cdot A \cdot \eta_\mathrm{eff} = \left( \pi \cdot \frac{d}{\lambda} \right)^2 \cdot \eta_\mathrm{eff} \,

Beispielsweise hat eine Antenne von 70 cm Durchmesser für eine Frequenz von 10 GHz einen Gewinn von ca. 35 dBi.

Mit zunehmendem Gewinn steigt die Strahlungsbündelung, der Öffnungswinkel α nimmt ab. Aus dem Verhältnis von Wellenlänge λ und Aperturdurchmesser D folgt näherungsweise der Winkel, wenn man den Intensitätsabfall des Strahls auf ±3 dB begrenzt:

(2) \alpha_{3\,\mathrm{dB}} \approx 58{,}8 \cdot \frac{\lambda}{D}    Grad

oder, als grobe Näherung:

(2a) \alpha \approx \frac{200}{\sqrt{G}}

Die 70-cm-Parabolantenne aus dem Beispiel oben hat folglich eine Strahlbündelung von ca. 4°. Satelliten, die enger zusammen stehen, können nicht mehr unabhängig voneinander registriert werden.

Ein Hornstrahler erreicht einen Wirkungsgrad von mehr als 80 %. Dafür ist seine Maximalverstärkung auf 25 dB beschränkt. Der Wirkungsgrad einer Parabolantenne liegt bei 50–70 %. Sie sollte deshalb nur zum Einsatz kommen, wenn hohe Verstärkung und kleine Öffnungswinkel gefordert sind. Sie bringt aber nur dann gute Gewinne, wenn ihr Durchmesser groß gegenüber der übertragenen Wellenlänge ist. Die untere Grenze liegt beim ca. Achtfachen der Wellenlänge.

Beispielsweise senden geostationäre Satelliten mit Hornstrahlern ohne Reflektor, wenn sie einen möglichst großen Teil der Erdoberfläche ausleuchten wollen. Vom Satelliten aus erscheint die Erde unter einem Winkel von ca. 17°. Eine Parabolantenne könnte diese große Öffnung nach (2) nur bei einem Durchmesser von 4λ erreichen, allerdings bei wesentlich schlechterem Wirkungsgrad und 'unschöner' Strahlungscharakteristik.

Bauformen[Bearbeiten]

Mit abnehmender Wellenlänge nähern sich Mikrowellen den Eigenschaften von Licht. Die Rauheit bzw. die Strukturabmessungen der Flächen, die die Strahlung reflektieren, müssen unterhalb ca. einem Viertel der Wellenlänge liegen, bei Mikrowellen somit im Millimeter- bis Zentimeterbereich. Oft genügen daher auch Metallgitter, um die Strahlung zu reflektieren. Dadurch sinken die Windlast und die Masse.

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Bauformen parabolischer Antennen (d. h. parabelartige Antennen):

Parabolantenne[Bearbeiten]

Die Normalform der Parabolantenne besteht aus einem rotationssymmetrischen Gebilde (Paraboloid), dessen Schnittbild eine Parabel ist. Der Erreger (Empfangs- oder Sendeteil) befindet sich im Brennpunkt des Paraboloids auf der Rotationsachse (kein Offset) oder außerhalb der Rotationsachse (Offset). Die Bauform ohne Offset wird besonders bei großen Antennen angewandt.

Offset-Antenne[Bearbeiten]

Offsetantennen werden benutzt, weil bei der Form ohne Offset das Problem besteht, dass der Primärstrahler zwischen dem Reflektor und der einfallenden Welle liegt. Er und der Arm, an dem er befestigt ist, werfen daher einen Schatten auf den Reflektor. Dieser Bereich des Reflektors ist somit unwirksam. Unter Sonneneinstrahlung kann man dieses Phänomen auch optisch nachvollziehen, da die Abschattung bei Licht ähnlich ist wie bei den empfangenen Wellen. Mit kleiner werdenden Antennenflächen wächst die störende Abschattung. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass nur ein kleiner, seitlich liegender Teilabschnitt des Rotationsparaboloids realisiert wird, so dass der Erreger (Fokuspunkt) neben der eintreffenden Wellenfront zu liegen kommt. Dadurch verändert sich auch der Einfallswinkel. Durch den geänderten Einfallswinkel ist der Parabolspiegel der eintreffenden Wellenfront gegenüber geneigt und es ist dadurch in unseren Breiten eine nahezu senkrechte Aufstellung des Spiegels erreichbar. Das hat den weiteren Vorteil, dass sich kein Schnee auf dem Spiegel ablagern kann, der ansonsten zu einer Dämpfung der Wellen führen würde.

Cassegrain-Antenne[Bearbeiten]

Bei Cassegrain-Antennen [kasgʀɛn] befindet sich an der Stelle des Erregers ein Subreflektor. Dieser Subreflektor ist hyperbolisch konvex geformt und besitzt zwei Brennpunkte. Der eine Brennpunkt dieses Hyperboloids fällt mit dem Brennpunkt des Parabolspiegels zusammen und liegt hinter dem Subreflektor, der zweite Brennpunkt befindet sich an der Stelle, an der der Erreger sitzt, meistens in einem Loch im Zentrum der Parabolfläche.
Das Cassegrain-Prinzip und auch das nachfolgend beschriebene Gregory-Prinzip finden sich auch bei Spiegelteleskopen, siehe hierzu Cassegrain-Teleskop und Gregory-Teleskop.

Gregory-Antenne[Bearbeiten]

Gregory-Antennen haben, ähnlich wie Cassegrain-Antennen, einen Subreflektor. Dieser Subreflektor ist ellipsoid konkav geformt und besitzt zwei Brennpunkte. Der eine Brennpunkt dieses Ellipsoids fällt mit dem Brennpunkt des Paraboloids zusammen und liegt zwischen beiden Reflektoren, der zweite Brennpunkt befindet sich an der Stelle, an der der Erreger sitzt, meistens in einem Loch im Zentrum der Parabolfläche.

Bündelung[Bearbeiten]

Je größer eine Parabolantenne ist, desto mehr Energie wird im Brennpunkt gesammelt und desto exakter muss sie auf die Gegenstelle, beispielsweise einen Satelliten, ausgerichtet werden.

Oberflächenbehandlung[Bearbeiten]

Die Oberfläche des Parabolspiegels kann zum Schutz gegen Korrosion oder zur Anpassung an die Umgebung behandelt werden. Dazu werden von den Herstellern Lacke oder Pulverbeschichtungen eingesetzt. Klebefolien und Kunstharzlacke sind ungeeignet, weil sie eine zusätzliche Dämpfung in den Empfangsweg einbringen.[2] Ferner sollte der Lack matt sein, weil sonst die Sonnenstrahlung auf das Horn reflektiert wird, wenn sie hinter dem Zielobjekt steht (Sun-Outage). Die gebündelten Sonnenstrahlen können das Horn sonst überhitzen und zerstören.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Parabolanennen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. http://www.naic.edu/public/the_telescope.htm
  2. Anleitung zur Oberflächenbehandlung: Parabolantennen lackieren