Wendelantenne

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Eine Wendelantenne, auch Helixantenne genannt, ist eine wendelförmige Antenne zum Senden und Empfangen zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen. Sie besteht bei unsymmetrischer (koaxialer) Speisung aus einem oder bei symmetrischer Speisung aus zwei schraubenförmig gewundenen Leitern (Band oder Draht). Sie wurde 1947 von John D. Kraus erfunden.

Die manchmal ebenfalls als Wendelantennen bezeichneten Spulenantennen haben mit den Eigenschaften einer "echten" Wendelantenne nichts zu tun. Sie bestehen ganz oder teilweise aus einer einlagigen Zylinderspule, die jedoch Dimensionen aufweist, die klein gegenüber der Wellenlänge sind. Diese Antennen sind vom Prinzip her verkürzte Viertelwellen-Dipole. Die Induktivität der Spule verlängert die elektrische Länge bei verkürzter Baulänge.

Ausführung[Bearbeiten]

Wendelantenne für 2,4 GHz (WLAN), Gewinn ca. 15 dBi, Wendel-Durchmesser 40 mm

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

D = \frac{\lambda}{\pi}

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

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

G = 15 \cdot N \cdot s \cdot \frac{(\pi \cdot D)^2}{\lambda^3}

oder, wenn D = \frac{\lambda}{\pi} und s=\frac{\lambda}{4} sind:

G \approx 4 \cdot N

Der maximal erzielbare Gewinn nähert sich jedoch ab einer Länge von

7 \cdot \lambda

einem Grenzwert von 15 dB an.[1] Je höher der Gewinn, desto kleiner ist der Öffnungswinkel \Theta in Grad:

\Theta = \frac{52^\circ}{\pi \cdot D} \cdot \sqrt{\frac{\lambda^3}{N \cdot s}}
\Theta \approx \frac{200^\circ}{\sqrt{G}}

Rückseitig dient eine Metallfläche als Gegengewicht (Reflektor) für die koaxialen Speisung. Sie ist etwa eine Wellenlänge groß. 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 Z (Einheit: Ohm, Ω) am Speisepunkt beziehungsweise Fußpunkt (Beginn der Wendel) beträgt:

Z \approx 140\mathrm{\ \Omega} \cdot \pi \cdot \frac{D}{\lambda}

oder mit D = \frac{\lambda}{\pi}:

Z \approx 140\mathrm{\ \Omega}

Oft ist daher eine Anpassung des Fußpunktwiderstandes Z der Antenne an den des Zuleitungskabels (Koaxialkabel, meist 50…75 Ohm) erforderlich, zum Beispiel durch einen Blechstreifen geeigneter Größe (Resonanztransformator).

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.

Funktion[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 (möglicherweise auch lineare) Polarisationsrichtung der Wellen in unvorhersehbarer Weise gedreht wird (siehe Faraday-Effekt) oder sich das Raumfahrzeug (mit möglicherweise auch linear polarisierender Antenne) dreht.

Anwendungen[Bearbeiten]

Wendelantennen findet man:

  • an Satelliten und Raumfahrzeugen (oft kegelig als Mischform zwischen Wendel- und Spiralantenne)
  • zum Bodenempfang von Bildern von Wettersatelliten
  • in WLAN-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen
  • als Antennen im Amateurfunkbereich.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks / Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. http://www.w1ghz.org/antbook/conf/Helical_feed_antennas.pdf Betrachtungen zu Wendelantennen für 2,4 GHz (englisch)