Wendelantenne

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Eine Wendelantenne, auch Helixantenne genannt, ist eine Richtantenne in Form einer Helix zum Senden und Empfangen zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen.

Monofilare Wendelantennen zur Satellitenkommunikation

Helixantennen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Allen gemeinsam ist, dass sie aus einem oder mehreren schraubenförmig gewundenen elektrischen Leitern (Band oder Draht) bestehen, dessen Dimensionen und Geometrie unter anderen von der Wellenlänge abhängt. Die Helixantenne wurde 1947 von John D. Kraus erfunden.[1][2]

Typen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die verschiedenen Bauformen von Helixantennen lassen sich grob in folgende zwei Hauptgruppen unterteilen:[3]

  • Monofilare Helixantennen bestehen nur aus einem schraubenförmigen Leiter und die Antenne benötigt zum Betrieb mit maximalem Antennengewinn an einem Ende einen Reflektor. Die zirkulare Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Welle entspricht der schraubenförmigen Orientierung des elektrischen Leiters.
  • Quadrifilare Helixantennen bestehen aus vier ineinander und um jeweils 90° versetzten schraubenförmigen Leitern. Quadrifilare Helixantennen benötigen, je nach konkretem Aufbau, an ihren Ende nicht unbedingt einen Reflektor und die zirkulare Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Welle kann, je nach Speisepunkt, auch gegensinnig zum Drehsinn der der vier elektrischen Leiter sein.

Zur Erhöhung der Übertragungsbandbreite können Wendelantennen auch kegelig oder als Kugelkalotte ausgebildet werden. Solche Formen vereinen die gute Richtwirkung von Wendelantennen mit der Breitbandigkeit von Spiralantennen.

Monofilare Helixantenne[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Umfang der Wendel einer monofilaren Wendelantenne hat die Länge der Einsatz-Wellenlänge . Damit beträgt der Durchmesser :

Wendelantennen werden daher vorrangig im Dezimeterwellen-Bereich (0,3–3 GHz) eingesetzt.

Die Ganghöhe (Steigung) der Wendel hat ein Optimum beim 0,2- bis 0,3-Fachen der Wellenlänge. Mit der Zahl der Windungen steigt der Gewinn und verbessert sich die Richtcharakteristik der Antenne.

oder, wenn und sind:

Der maximal erzielbare Gewinn nähert sich jedoch ab einer Länge von

einem Grenzwert von 15 dB an.[4] Je höher der Gewinn, desto kleiner ist der Öffnungswinkel in Grad:

Die rückseitige Reflektorfläche dient als Gegengewicht für die koaxiale Speisung. Sie ist etwa eine Wellenlänge groß.

Monofilare Wendelantennen sind relativ unkritisch hinsichtlich der Dimensionierung und daher gut zum Nachbau geeignet. Das hängt indirekt mit deren hoher relativer Bandbreite zusammen, die bereits bei einer gleichförmigen Helix etwa 60 % beträgt.

Die Impedanz (Einheit: Ohm, Ω) am Speisepunkt beziehungsweise Fußpunkt (Beginn der Wendel) beträgt:

oder mit :

Zur Anpassung des Fußpunktwiderstandes der Antenne an den des Zuleitungskabels (Koaxialkabel, meist 50…75 Ω) ist ein Resonanztransformator erforderlich, realisiert zum Beispiel durch einen entsprechend dimensionierten Blechstreifen.

Quadrifilare Helixantenne[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Resonante quadrifilare Helixantenne mit ½ Windung für den GPS-Empfang auf einer Radiosonde

Die quadrifilare Helixantenne wird durch vier schraubenförmig gewundenene, parallel und mit zueinander konstantem Abstand geführte Leiter gebildet. Der Anfang jedes Leiters wird im Bereich der Reflektorebene um 90° gedreht. In der nicht resonanten und breitbandigen Bauform der quadrifilaren Helixantenne wird die Anspeisung der vier Leiter um 90° gedreht. Es sind für maximalen Gewinn 7 bis 8 Windungen nötig. Für den Betrieb als Richtantenne ist, wie bei der monofilaren Ausführung, eine Reflektorwand nötig. Die quadrifilare Bauform weist bei höherem Herstellungsaufwand gegenüber der monofilaren Bauform einen höheren Antennengewinn auf. Je nach Drehsinn bei der Anspeisung der vier einzelnen Leiter ist der Drehsinn der zirkularen Welle gleich oder gegenläufig zum Drehsinn der Anspeisung.

Eine vor allem bei GPS-Empfängern wesentliche Bauform stellt die resonante quadrifilare Helixantenne dar, welche als Besonderheit schmalbandig ist und ohne Reflektorwand auskommt und damit besonders leicht ist. Sie ist durch vier Leiter gekennzeichnet welche je nach Typ genau ¼ oder ½ Windung lang sind. Der Drehsinn der Leiter ist gegensinnig zum Drehsinn der zirkular polarisierten Welle.[3]

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da der Drehsinn der Wendel die Drehrichtung der abgestrahlten bzw. empfangenen zirkular polarisierten Welle bestimmt, muss der Drehsinn von Sende- und Empfangsantenne übereinstimmen. Dagegen ist jede Wendelantenne in der Lage, linear in beliebiger Richtung polarisierte Wellen zu empfangen. Daher setzt man sie oft auch in Fällen ein, bei denen unbestimmt linear polarisierte Wellen empfangen werden sollen — allerdings ist der Gewinn beim Empfang linear polarisierter Wellen um 3 dB geringer. Signale in der jeweils entgegengesetzt zirkularen Polarisation werden dagegen stark unterdrückt, sodass u. U. die unabhängige Nutzung der beiden Polarisationen im selben Frequenzbereich möglich wird.

Die zirkulare Polarisierung hat Vorteile in der Satelliten- und Weltraumkommunikation, weil kein Polarisations-Fading auftritt, wenn beim Durchgang durch die Ionosphäre die Polarisationsrichtung der Wellen in unvorhersehbarer Weise durch den Faraday-Effekt gedreht wird oder Raumsonden sich in der Orientierung drehen.

Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen unter anderem:

  • Satelliten und Raumfahrzeuge: oft kegelige Ausführung der Antennen als Mischform zwischen Wendel- und Spiralantenne.
  • Zur erdgebundenen Satellitenkommunikation wie beispielsweise zur Verbindung mit Wettersatelliten
  • Als einfach aufzubauende Richtantenne bei WLAN-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und im Amateurfunkbereich.
  • Resonante, reflektorlose quadrifilare Helixantennen als sehr leichte GPS-Empfangsantennen mit hohem Antennengewinn, unter anderem an Radiosonden für die Wetterbeobachtung in der Meteorologie.

Abgrenzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die manchmal umgangssprachlich und unscharf auch als „Wendelantenne“ bezeichneten Spulenantennen haben mit den Eigenschaften einer Wendelantenne nichts zu tun. Spulenantennen bestehen ganz oder teilweise aus einer einlagigen Zylinderspule welche als wesentliches Merkmal klein gegenüber der Wellenlänge sind. Spulenantennen sind vom Prinzip her elektrisch verkürzte Viertelwellen-Dipolantennen. Die Induktivität der Spule verlängert die elektrische Länge bei verkürzter Baulänge.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. John D. Kraus: Helical beam antenna. In: Electronics. Nr. 4109, 1947, S. 109 bis 111.
  2. John D. Kraus: The helical antenna. Band 37. Proceedings of the I.R.E., März 1949, S. 263 bis 273 (Online [PDF]).
  3. a b Bill Slade: The Basics of Quadrifilar Helix Antennas. Orban Microwave Inc., Firmenschrift, 2015; abgerufen am 17. März 2017.
  4. http://www.w1ghz.org/antbook/conf/Helical_feed_antennas.pdf Betrachtungen zu Wendelantennen für 2,4 GHz (englisch)

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]