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Antennen Fachdidaktikseminar Physik Sommersemester 1996 Vortrag von Arntraud Bacher, Cornelia Lederle und Klaus Rheinberger Institut der Theoretischen Physik, Innsbruck Inhaltsverzeichnis 1 Beschleunigte Ladungen als Ursache von e-m-Wellen 1.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Einleitung und Verbindung zum Vortragstitel Antennen“ ” 1.3 Wiederholung wichtiger Voraussetzungen . . . . . . . . . . 1.4 Abstrahlung einer beschleunigten Ladung . . . . . . . . . . 1.5 Diskussion der graphischen Darstellungen der Feldlinien . . 1.6 Konsequenzen für den Antennenbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 3 5 6 9 2 Speziell: Die Ablösung vom schwingenden Dipol 10 3 Ablösung von e-m-Wellen nur beim offenen Schwingkreis? 11 4 Der 4.1 4.2 4.3 λ/2-Dipol als Sende- bzw. als Empfangsdipol 12 Resonanz, Strom- und Spannungsverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Technische Eigenschaften und Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . . . . 13 Der Unterschied zwischen Sende- und Empfangsantenne . . . . . . . . . . . 14 5 Erweiterungen eines Antennengebildes 14 5.1 Reflektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5.2 Direktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 6 Parabol- und Offsetantennen 7 Wichtiges Anwendungsgebiet: Rundfunk und 7.1 Großräumige Versorgung und Probleme damit 7.2 Großsendeanlage Patscherkofel“ . . . . . . . ” 7.3 Bilderserie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Fernsehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 19 23 24 Bildnachweis 29 Literatur 30 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN 1 2 Beschleunigte Ladungen als Ursache für die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen 1.1 Vorbemerkung Durchgehend wird in dieser Ausarbeitung auf die Behandlung des magnetischen Feldes verzichtet, da 1. seine Berücksichtigung für ein erstes Verständnis hinderlich erscheint und 2. seine physikalischen Auswirkungen mit gutem Gewissen in einer ersten, einfachen Betrachtung vernachlässigt werden können. Dennoch sollte die Existenz des magnetischen Anteils im Strahlungsfeld zumindest nicht unerwähnt bleiben. Ansonsten könnte zum Beispiel eine Verbindung zum beliebten Thema des elektrischen Schwingkreises erschwert werden. 1.2 Einleitung und Verbindung zum Vortragstitel Antennen“ ” In einem ersten phänomenologischen Zugang zur Funktionsweise der Informationsübertragung durch Antennen könnte man folgenderweise vorgehen: Sowohl die Sendeantenne als auch die Empfangsantenne sind metallische Stäbe (also elektrische Leiter), deren frei bewegliche Elektronen durch elektrische Felder (E-Felder) beschleunigt werden. Im Fall der Sendeantenne geschieht dies durch eine angelegte elektrische Spannung; im Fall der Empfangsantenne reagieren die Elektronen auf das elektrische Strahlungsfeld, das von der Sendeantenne abgestrahlt wird, und erzeugen ihrerseits wieder eine Spannung. Hat man also die Wirkung eines E-Feldes als Kräftefeld (pro Ladungseinheit) auf Ladungen akzeptiert, so bleibt noch das Phänomen der elektromagnetischen Abstrahlung beschleunigter Ladungen zu beschreiben, um in geschlossener Weise das Prinzip der Nachrichtenübermittlung zu erkennen. Es erscheint mir wichtig, an dieser Stelle auf einen qualitativen Sprung aufmerksam zu machen, den die Interpretation des E-Feldes in Bezug auf das Abstrahlungsfeld durchmachen muß: Ruhende und gleichförmig bewegte Ladungen führen ihr elektrisches Feld mit sich mit“. ” 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN 3 Ohne Ladung gibt es in diesen beiden Fällen also kein E-Feld, sodaß man diese Art von E-Feld als ein (an eine Ladung) gebundenes E-Feld bezeichnen kann. Das E-Feld einer Strahlung hingegen existiert (einmal erzeugt) unabhängig von Ladungen und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen des Raumes fort. Beschleunigte Ladungen sind sozusagen fähig, einen Teil ihres E-Feldes abzuschütteln, der sich im weiteren verselbständigt. Sowohl beim Strahlungsfeld als auch beim gebundenen E-Feld besteht die physikalische Eigenschaft darin, die Eigenschaft des Raumes für mit Ladung behaftete Teilchen zu bestimmen. Daran ändert sich interpretativ nichts. 1.3 Wiederholung wichtiger Voraussetzungen 1. Das E-Feld einer ruhenden Punktladung ist radialsymmetrisch und je nach Ladungsart (positiv oder negativ) zu dieser ruhenden Ladung weg- bzw. hingerichtet. Es sind also keine sogenannten transversalen Komponenten des E-Feldes vorhanden. Eine ruhende Ladung erzeugt kein elektromagnetisches Strahlungsfeld. 2. Da Strahlung bzw. keine Strahlung ein von einem Beobachter unabhängiges physikalisches Phänomen darstellt, strahlt eine sich mit konstanter Geschwindigkeit fortbewegende Ladung ebenfalls nicht (Relativitätsprinzip). Das E-Feld einer sich derart bewegenden Ladung entspricht (bis auf eine relativistische Korrektur, die es in Bewegungsrichtung staucht) dem einer ruhenden Ladung (siehe Abbildung 1). Es bleibt also nur noch beschleunigten Ladungen frei, elektromagnetische Felder abzustrahlen. 3. Das Feldlinienkonzept: In dieser Arbeit verwenden wir statt den unübersichtlichen Vektorfeld-Bildern diese anschaulichere Art der graphischen Wiedergabe eines E-Feldes. Dabei dürfen für ein richtiges Verständnis folgende Punkte nicht vergessen werden: • Die Anzahl der Feldlinien, die man zeichnet, ist direkt proportional zur Ladungsmenge der Quelladung. • Feldlinien sind tangential an die Vektoren des E-Feldes. 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN ruhende, positive Punktladung E= 1 4π ε0 · q r2 (kein B-Feld) 4 gleichförmig bewegte, positive Punktladung relativistische Kontraktion (auch im B-Feld) Abbildung 1: Punktladung mit zugehörigem E-Feld • Die Dichte der Feldlinien (d.h. die Anzahl der Feldlinien, die durch eine Fläche normal an die Linien pro Flächeneinheit gehen) ist proportional der Stärke des E-Feldes am Ort der beschriebenen Dichtemessung. • Die angezeigte Richtung der nirgends abbrechenden Feldlinien entspricht der Richtung der Vektoren des E-Feldes. [für Mathematiker kurz notiert: die Feldlinien sind die Flußlinien des E-Vektorfeldes] Zur Veranschaulichung betrachten Sie die Feldlinienbilder in folgender Abbildung. Abbildung 2: Feldlinienbilder für verschiedene Ladungen 4. Wie bereits erwähnt und bei den Schülern auch sicher bekannt, breitet sich Information (z.B. eine Änderung des E-Feldes) mit Lichtgeschwindigkeit in alle Raumrichtungen also kugelförmig aus. 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN 1.4 5 Abstrahlung einer beschleunigten Ladung Um das Phänomen der Abstrahlung auf möglichst einfache Weise zu verstehen, betrachten wir folgenden Bewegungsablauf einer Punktladung und denken dabei zum Beispiel an ein klassisches“, freies Elektron in einer Sendeantenne: ” Eine beispielsweise positive Punktladung (Ladung q) ruht seit ewig langer Zeit im Ursprung unseres gewählten Koordinatensystems. In der Zeit von 0 bis τ Sekunden unserer Zeitmessung wird unsere Ladung in positive x-Richtung beschleunigt und legt demnach in dieser Zeit den Weg 1 2 · a · τ 2 zurück, wobei a die konstante Beschleunigung bezeichnet. In der Zeit τ bis t, dem Zeitpunkt zu dem wir das Feldlinienbild der Ladung betrachten (vgl. Abbildung 3), bewegt sich die Ladung mit konstanter Geschwindigkeit v = a · τ in positive x-Richtung weiter (dabei nehmen wir an, daß t τ ). Den Ursprung unseres Koordinatensystems bezeichnen wir in Übereinstimmung mit der unten angeführten Abbildung aus dem Buch von Ohanian ([5]) mit P , den Punkt, der durch das Ende der Beschleunigung ausgezeichnet ist, mit P 0 und den Ort der Ladung zum Zeitpunkt der Betrachtung mit Q. Abbildung 3: Abstrahlung einer bewegten Ladung Aufgrund der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Nachricht über die Änderung des Bewegungszustandes der Ladung am Punkt P muß außerhalb einer Kugel mit dem Radius c · (t + τ ) das E-Feld noch jenes einer im Punkt P ruhenden Ladung sein (c ist dabei die Lichtgeschwindigkeit), also ein radialsymmetrisches Feld mit Zentrum P . Ausgehend vom Punkt P 0 und dem Zeitpunkt τ bewegt sich die Ladung gleichförmig, daher 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN 6 wiederum das Radialfeld innerhalb eines Kreises mit Radius c · (t − τ ) und Mittelpunkt Q (die Kontraktion der Feldlinien in Bewegungsrichtung bei relativistischen Geschwindigkeiten wird hier vernachlässigt). In der Zeit zwischen 0 und τ zieht“ die Ladung ihr Feld ” stetig mit sich mit, sodaß die Feldlinien außerhalb des großen und innerhalb des kleineren Kreises verbunden sind. Weitere ergänzende Argumente, die das Bild der Feldlinien wie oben gezeichnet stützen: • In jedem der erwähnten Bereiche muß die Zahl der Feldlinien dieselbe sein, da sich die Ladungsmenge nicht geändert hat. • Welche der Feldlinien innerhalb des inneren Kreises mit welchen außerhalb des äußeren Kreises verbunden werden müssen, kann zur persönlichen mathematischen Befriedigung des Drangs nach einer Rechtfertigung der Argumentationsführung von damit vertrauten Lehrern mittels des Satzes von Gauß bewiesen werden (vgl. [7]). 1.5 Diskussion der graphischen Darstellungen der Feldlinien 1. Das Wichtige an diesen Feldlinienbildern einer beschleunigten Ladung ist der Bereich zwischen den beiden Kreisen, welcher der Zeit der Beschleunigung entspricht und im Gegensatz zu den anderen Raumgebieten nichtradiale Komponenten des E-Feldes enthält. Dies sind die berühmten transversalen E-Feldkomponenten der elektromagnetischen Strahlung. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit in den Raum aus und geben Nachricht“ von der stattgefundenen Beschleunigung der Punktladung. ” Ungeachtet davon, was mit der Ladung nach ihrer Beschleunigung passiert, hat sich das Strahlungsfeld unwiderruflich selbständig gemacht. 2. Die Knicke der Feldlinien rühren von der Unstetigkeit im Ein- und Ausschalten“ ” der Beschleunigung. Bei einer harmonischen Schwingung der Ladung zum Beispiel werden diese Knicke abgerundet (siehe spätere Abbildungen (6-8) bezüglich des schwingenden Dipols ). 3. Die erwähnte transversale Komponente des Strahlungsfeldes ist nicht in jeder Raumrichtung gleich groß. Wie aus obigen Abbildungen ersichtlich ist, ändert sich ihr 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN 7 Wert mit dem Winkel zur Achse der Beschleunigungsrichtung. So ist etwa in Bewegungsrichtung das elektrische Strahlungsfeld null und in normaler Richtung dazu maximal. Eine für Schüler einer AHS-Oberstufe mathematisch einfache trigonometrische Rechnung liefert ein brauchbares, genaueres Ergebnis zu Punkt 3: Unter Vernachlässigung der Distanz P P 0 im Vergleich zu P Q zum Beispiel in großer Entfernung einer für kurze Zeit beschleunigten Ladung läßt sich folgende Skizze einer Feldlinie erstellen (dieselbe Notation wie oben): Abbildung 4: Feldlinie einer kurzzeitig bewegten Ladung im Detail Rechnung: EΘ Notation: ... transversale Komponente des E-Feldes beim Winkel Θ (gemessen von der Bewegungsrichtung) und Abstand r von P Er ... radiale Komponente des E-Feldes beim Abstand r von P EΘ v · t · sin Θ a · r · sin Θ = = Er c·τ c2 1 q · 2 4 · π · ε0 r q a · sin Θ =⇒ EΘ = · 2 4 · π · ε0 · c r Er = Diskussion des Rechenergebnisses: 1. Mit der errechneten Sinus-Abhängigkeit des elektrischen Strahlungsfeldes EΘ wird die oben aus den Abbildungen abgelesene Abstrahlcharakteristik der beschleunigten Ladung bestätigt. 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN 8 2. Eine intuitiv plausible Annahme wird durch obige Formel gerechtfertigt: Die Größe der Beschleunigung a ist direkt proportional zum abgestrahlten E-Feld EΘ . 3. Ergänzend: EΘ ist indirekt proportional zum Abstand r vom Punkt P . Daraus folgt, daß die in einer Kugelschale um P mit Dicke c · (t + τ ) steckende abgestrahlte Feldenergie ∝ EΘ · r2 · c · τ ist und während der Expansion der Kugelschale erhalten bleibt. Diese Energie wurde offenbar beim Beschleunigen während der Zeit τ an das Feld abgegeben. Computersimulationen: Aus dem erwähnten Buch von Ohanian möchte ich Bilder einer Computersimulation der elektrischen Feldlinien einer beschleunigten Ladung anfügen. In dieser Simulation wurde die relativistische Kontraktion der Feldlinien bei hohen Geschwindigkeiten berücksichtigt. Abbildung 5: Computersimulation einer plötzlich beschleunigten Ladung Eine weitere Simulation aus demselben Buch zeigt die Feldlinien einer harmonisch schwingenden Punktladung. 1 BESCHLEUNIGTE LADUNGEN ALS URSACHE VON E-M-WELLEN 9 Abbildung 6: Computersimulation einer harmonisch schwingenden Ladung 1.6 Konsequenzen für den Antennenbegriff Das Entstehen von elektromagnetischen Wellen durch beschleunigte Ladungen ist also das Grundprinzip einer Sendeantenne, bzw. umgekehrt das Beschleunigen von Ladungen durch elektromagnetische Wellen jenes einer Empfangsantenne. Mit dieser Auffassung fallen aber nicht nur jene Gebilde, die wir im allgemeinen als Antenne bezeichnen, unter den Sammelbegriff Antenne“, sondern auch natürliche An” ” tennen“. Dazu kann man zum Beispiel folgende Phänomene zählen: • Erzeugung von Röntgenstrahlen durch Elektronenbremsung • Pulsare und andere astrophysikalische Radioquellen wie die Sonne im 10cm Band (Zusätzliche Informationen siehe [4, Kapitel 4]) (Beide erfolgen nach demselben Prinzip: Ladungen erfahren abrupte Abbremsung, oder auch Abbremsung während Ablenkung durch andere Ladungen und strahlen aufgrund dieser (negativen) Beschleunigung!) • Elektromagnetische Stürme“ durch Blitze ” • Magnetische Stürme“ durch Fluktuationen des Sonnenwindes (= geladene Teilchen!) ” (Zusätzliche Informationen siehe [4, Kapitel 5]) 2 SPEZIELL: DIE ABLÖSUNG VOM SCHWINGENDEN DIPOL 2 10 Speziell: Die Ablösung vom schwingenden Dipol Betrachten wir nun eine positive Punktladung, die aus ihrer Ruhelage beschleunigt wird und dann wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückschwingt, wo sie erneut in Ruhe verharrt. Dieser Vorgang entspricht qualitativ einer halben Schwingung einer schwingenden Punktladung. Ergänzen wir unsere Überlegung um eine weitere nun aber negative Punktladung, welche die analoge Bewegung in entgegengesetzter Richtung durchführt. Im Feldlinienbild dieser zweiten Ladung ändern sich die Richtung der Feldlinien wegen der anderen Ladung und die Richtung der Delle in den Feldlinien aufgrund der entgegengesetzten Beschleunigungsrichtung. Überlagern wir die Bewegungen der beiden Ladungen, so erhalten wir rein qualitativ eine halbe Schwingung eines schwingenden Dipols: Abbildung 7: Elektrisches Feld des schwingenden Dipols Wegen des Überlagerungsprinzips der elektrischen Felder bei der Zusammensetzung mehrerer Bewegungen heben sich die E-Felder außerhab des Abstrahlungsbereiches auf (entgegengesetzte Richtung der Feldlinien), während sich im Abstrahlungsbereich die Linien zu verschieden starken Wirbeln überlagern, die sich je nach ihrer Stärke wiederum überlagern. Dies wurde in der obigen, nur schematischen Abbildung aber nicht mehr dargestellt. Von einem schwingenden Dipol lösen sich also elektrische Wirbel ab. Dies ist in folgender Abbildung nochmals deutlich skizziert. 3 ABLÖSUNG VON E-M-WELLEN NUR BEIM OFFENEN SCHWINGKREIS? 11 Abbildung 8: Schnappschuß“ der Feldlinien eines schwingenden Dipols ” Die letzte Abbildung dieses Kapitels sei der Abstrahlcharakteristik eines schwingenden Dipols gewidmet. Wie aus der Diskussion der Rechenergebnisse und der Abbildungen bereits ersichtlich wurde, wird in Schwingungsrichtung keine und normal zur Schwingungsrichtung am meisten Energie abgestrahlt: Abbildung 9: Polardiagramm, das die horizontale Richtungsabhängigkeit der abgestrahlten Energie eines Dipols zeigt 3 Warum erfolgt Ablösung von elektromagnetischen Wellen vom offenen, nicht aber vom geschlossenen Schwingkreis? Für die Bestimmung der Frequenz der elektromagnetischen Welle ist die Theorie des Schwingkreises ebenso wichtig, wie jene der beschleunigten Ladung für die Entstehung. Das Ziel einer Sendeantenne ist es nun, eine elektromagnetische Welle und damit Energie abzustrahlen. Der geschlossene Schwingkreis, den die Schüler bereits kennenge- 4 DER λ/2-DIPOL ALS SENDE- BZW. ALS EMPFANGSDIPOL 12 lernt haben (sollten), tut dies aber nicht! Es wird die Energie beim idealen (will heißen ungedämpften) Schwingkreis lediglich zwischen dem elektrischen Feld des Kondensators und dem magnetischen Feld der Spule hin- und hergereicht. (Beim realen (gedämpften) Schwingkreis geht wegen ohmscher Verluste in den Leitungen bei jedem Wechsel etwas der gespeicherten Energie in Wärme über und ist somit für die Schwingung verloren. Außerdem wird etwas (sehr wenig) Strahlung in den Raum abgegeben, die aber nur in sehr geringen Abständen feststellbar ist.) Beim offenen Schwingkreis sieht dies allerdings anders aus, und zwar hängt dies, wie bereits bei einem früheren Vortrag des Semesters ( Mikrowellen“) erwähnt wurde, mit ” der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit, mit der sich elektrische Zustände im Raum ausbreiten, zusammen. 4 Der λ/2-Dipol als Sende- bzw. als Empfangsdipol Für dieses Kapitel wird folgendes Wissen vorausgesetzt: • elektromagnetische Wellen (Wellenlänge, Frequenz, Wellenbauch, Wellenknoten) • Übergang vom geschlossenen Schwingkreis zum offenen. 4.1 Resonanz, Strom- und Spannungsverlauf Nimmt man nun einen Leiter einer bestimmten Länge L und regt diesen mit verschiedenen Frequenzen an, so ist das System genau dann in Resonanz, wenn sich stehende Wellen ausbilden. Dies geschieht erstmals in jenem Fall, wenn die Wellenlänge der anregenden Strahlung doppelt so groß ist, wie die Länge des Leiters. (Wir betrachten nur diesen einen, wichtigsten Fall. Andere mögliche Wellenlängen, bei denen es Resonanz gibt, wären zum Beispiel auch noch L und 4 · L.) Regt man nun diesen Leiter mit seiner Resonanzfrequenz an, so entstehen folgende stehende Wellen (Abbildung 10) für Strom und Spannung auf dem Verlauf des Leiter. Hierzu könnte folgender Versuch an einem offenen Schwingkreis durchgeführt werden: Zum Aufsuchen der Knoten und Bäuche werden eine Glimm- und eine Glühlampe verwendet. Die Glimmlampe ist hochohmig, deshalb zeigt sie uns den Verlauf der Spannung. 4 DER λ/2-DIPOL ALS SENDE- BZW. ALS EMPFANGSDIPOL 13 Abbildung 10: Strom- und Spannungsverteilung eines Halbwellendipoles Die Glühlampe hingegen ist niederohmig und verdeutlicht somit den Stromverlauf. Der Versuch soll uns hauptsächlich zeigen, daß dort wo sich ein Spannungsknoten befindet gleichzeitig auch ein Stombauch ist und umgekehrt. 4.2 Technische Eigenschaften und Voraussetzungen • UKW-Antennen werden in der geometrischen Mitte (entspricht: Spannungsknoten) metallisch mit dem geerdeten Antennenträger verbunden, denn dort wo geringe Spannungen sind, sind auch geringe Verluste. • Die mechanische Länge des Strahlers ist im Normalfall kürzer als die elektrische, da kapazitive Einflüsse an den Antennenenden (der mechanischen Antenne) eine Verlängerung für die elektrische bewirken. Elektrische und mechanische Länge sind nur beim unendlich dünnen Leiter gleich groß. Hat man zwei gleichlange Strahler unterschiedlichen Durchmessers, so ist die Resonanzfrequenz des dickeren Strahlers kleiner als diejenige des dünneren. Oder anders ausgedrückt: Hat man zwei unterschiedlich dicke Strahler mit der gleichen Resonanzfrequenz, so ist der dickere Strahler länger als der dünnere. Um wieviel genau verkürzt werden muß, hängt aber auch von den Erdverhältnissen, der Antennenhöhe und der Umgebung ab. Den Verkürzungfaktor kann man aus entsprechenden Diagramm entnehmen. 5 ERWEITERUNGEN EINES ANTENNENGEBILDES 14 Beispiel: Ein Strahler mit Resonanzfrequenz 144 MHz und Durchmesser 25 mm. Eine Frequenz von 144 MHz entspricht hier einer Wellenlänge von 208 cm. Die halbe Wellenlänge wäre somit 104 cm; das ist auch die elektrische Länge des Strahlers. Aus einem entsprechenden Diagramm entnimmt man den Verkürzungsfaktor und erhält für die mechanische Wellenlänge den Wert L = 93,6 cm. • Noch eine kurze Bemerkung zur Speiseleitung, die ja, wie oben erwähnt, in der geometrischen Mitte des Strahlers angesetzt wird: Eine Energietransportleitung zwischen Sender (bzw. Antenne) und Sendestation (bzw. Empfänger) ist deshalb notwendig, weil Antennen so hoch und so frei wie möglich angebracht werden sollen. Die Leitungen müssen möglichst verlustarm sein und dürfen selbst nicht strahlen, weshalb im Empfangsfall meist Koaxialkabel zum Zuge kommen. 4.3 Der Unterschied zwischen Sende- und Empfangsantenne Beim Sender wird über die Speiseleitungen Strom zur Antenne geführt. Dort werden die Elektronen angeregt und beginnen zu strahlen. Damit wird Leistung in die Umgebung (in die Luft) abgegeben. Beim Empfänger läuft das Ganze in umgekehrter Richtung ab. Die Antenne empfängt die Strahlung; die Elektronen werden zu Schwingungen angeregt, was als Wechselstrom abgeleitet wird. Es wird hier also Leistung aufgenommen. 5 Erweiterungen eines Antennengebildes Sieht man sich eine Fernsehantenne an, so fällt einem auf, daß diese nicht nur aus einem Stab, dem Dipol, besteht, sondern viel komplizierter aufgebaut ist. Die aus diesem Aufbau abgeleiteten speziellen Eigenschaften beruhen hauptsächlich auf Interferenzerscheinungen. Die diesbezüglich wichtigsten Bauelemente und ihre Funktionsweise sollen im folgenden besprochen werden. Die Grundanordnung besteht meist aus einem Reflektor (dem längsten Stab), dann dem Halbwellenstrahler und schließlich noch einigen Direktoren. Diese zusätzlichen Elemente, die nicht leitend miteinander oder mit dem Dipol verbunden sind, nennt man 5 ERWEITERUNGEN EINES ANTENNENGEBILDES 15 ungespeiste Antennenelemente bzw. strahlungsgekoppelte Elemente. Sie werden benötigt, um das Richtdiagramm der Antenne in eine bestimmte Richtung auszuprägen. Die gilt sowohl für den Empfang als auch beim Senden. einzelner Dipol Dipol und Reflektor Dipol, Reflektor und Direktoren Abbildung 11: Richtdiagramme 5.1 Reflektor Er ist länger als der Halbwellenstrahler und hat darum eine tiefere Eigenfrequenz. Deshalb wird er vom Strahler aber über seiner Eigenfrequenz angeregt und schwingt mit einer Phasenverschiebung von π. Abbildung 12: Wirkungsweise eines Reflektors 5 ERWEITERUNGEN EINES ANTENNENGEBILDES 16 Die Überlagerung der vom Dipol und vom Reflektor abgestrahlten Wellen ergibt dann jenes Bild, das man aufgrund des Namens Reflektor“ erwartet. ” Oft werden statt eines einzelnen Reflektorstabes auch mehrere (bzw. ganze Gitter) verwendet, die einer Parabel ähnlich angeordnet werden, um eine noch bessere Wirkung zu erzielen. 5.2 Direktor Die Direktoren sind kürzer als der Strahler und ihre Länge nimmt mit größer werdender Entfernung zum Strahler weiter ab. Weil sie kürzer sind und somit eine tiefere Eigenfrequenz haben, werden sie vom Strahler unter ihrer Frequenz angeregt und schwingen in gleicher Phase. Abbildung 13: Wirkungsweise eines Direktors Eine Antenne, die neben dem Dipol auch noch mindestens einen Direktor wowie einen Reflektor beinhaltet, nennt man nach dem Erfinder Yagi-Antenne. Sie stellt die häufigste und in vielfältigster Form vertretene Konstruktion für Empfangsantennen auf dem UKWund Fernsehbereich dar. Man erreicht damit auf einfache Art und Weise einen Energiegewinn am Dipol, was sich dann konkret in besserer Bild- bzw. Tonqualität am Empfangsgerät bemerkbar macht. Außerdem erziehlt man mit solchen Yagi-Antennen sehr starke Richtwirkungen, wie schon oben erwähnt. Das heißt also konkret für eine Empfangsantenne, daß sie auf Felder aus 6 PARABOL- UND OFFSETANTENNEN 17 verschiedenen Richtungen verschieden gut reagiert, bzw. für eine Sendeantenne, daß sie in die verschiedenen Richtungen unterschiedlich viel Leistung abgibt. Dies kann ein Vorteil sein, denn es werden die sogenannten Geister (das sind die Zweitbilder beim Fernsehen), die durch an Felswänden reflektierte Wellen entstehen, weitgehend beseitigt, da die reflektierten Wellen aus einer anderen Richtung einfallen. Andererseits gewährleisten solche Antennen nur von einer Sendestation einen guten Empfang. Neben diesen besprochenen Elementen gibt es natürlich noch viele weitere, wie zum Beispiel den Koppelstab kurz vor dem Dipol, der eine Erweiterung des empfangbaren Frequenzbereiches bewirkt. Auch gibt es vielfältige Kombinationsmöglichkeiten, in denen mehrere (verschiedene oder gleiche) Dipole, sowie bizarr wirkende Gebilde vorkommen. Für uns soll es hiermit allerdings genügen, da die Yagi-Antenne im Schüleralltag am ehesten vorkommt. 6 Parabol- und Offsetantennen In den letzten Jahren hat man gut beobachten können, wie sich mundartlich als Satel” litenschüsseln“ betitelte Gebilde auf unseren Hausdächern vermehrt haben. Mit diesen Schüsseln werden Frequenzen im 11 GHz-Bereich (das entspricht einer Wellenlänge von 3 cm) empfangen. Warum verwendet man gerade Schüsseln“ dazu? ” Die halbe Wellenlänge dieser Wellen ist 1,5 cm. Würde man eine oben besprochene Fernsehantenne verwenden, so wären die Antennenelemente und vor allem der erzielbare Gewinn sehr klein. Mit den Schüsseln“ erhält man einen viel höheren Leistungs- und damit ” Qualitätsgewinn. Es gibt zwei verschiedene Bauweisen: 1. Parabolantenne: Der Körper ist aus Metall oder metallbeschichtetem Kunststoff. Im Brennpunkt ist mit drei Stäben das Speisehorn mit Konverter montiert. Der Konverter setzt die ankommenden Signale in einen niedrigeren Frequenzbereich um und verstärkt sie gleichzeitig. 6 PARABOL- UND OFFSETANTENNEN 18 Abbildung 14: Parabolantenne in Sendebetrieb (links) und in Empfangsbetrieb (rechts) 2. Offsetspiegel: Dies ist ein in der Mitte abgesägter, also halber Parabolspiegel. Ein Teil des Paraboloids wird als Spiegelfläche benutzt, darum weist er eine asymmetrische Form auf. Er schaut nicht direkt zum Satelliten, sondern weist eine erhebliche Winkelabweichung auf. Der Offsetspiegel hat günstigere Abmessungen als die Parabolantenne. Abbildung 15: Offsetantenne (Empfangsbetrieb) Je größer der Durchmesser eines dieser Spiegel ist, desto größer ist auch der Leistungsgewinn. Dazu einige Beispiele: (Werte für Parabolantenne!) Ausrichtung auf einen Fernmeldesatelliten: für Einzelempfang: mind. 120 cm für Gemeinschaftsempfang: mind. 180 cm Ausrichtung auf einen Rundfunksatelliten: für Einzelempfang: mind. 40 cm für Gemeinschaftsempfang: mind. 60 cm 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 19 Es gibt, wie wohl jedem bekannt sein wird, verschiedene Satelliten, die entsprechende Programme übertragen. Am häufigsten werden bei uns die Rundfunksatelliten Koperni” kus“ (Durchmesser der Empfangspiegels auf der Erde mind. 60 cm) und Astra“ (Durch” messer mind. 90 cm) angepeilt. Der Spiegel zeigt dann etwa in Südrichtung. Beide Satelliten leiten Fernsehprogramme wie ZDF“, ARD“, RTL plus“, ... weiter. ” ” ” In manchen Programmen unterscheiden sie sich allerdings: Astra“ sendet zum Beispiel ” Eurosport“, RTL 2“, ... Kopernikus“ hingegen Bayern 3“, ntv“, ... ” ” ” ” ” Wie erfolgt nun die Weiterleitung von der Schüssel“ ins Wohnzimmer? ” Die Signale werden vom Konverter über Kabel zum Sat-Empfänger ins Wohnzimmer geleitet und von dort dann in den Fernseher. 7 Wichtiges Anwendungsgebiet: Rundfunk und Fernsehen Nachdem nun der theoretische Hintergrund behandelt ist, soll auch ein Anwendungsgebiet zur Sprache kommen. Rundfunk und Fernsehen stellen wohl jenes Anwendungsgebiet dar, mit dem die Schüler im Alltag am häufigsten in Kontakt kommen. 7.1 Großräumige Versorgung und Probleme damit Jeder empfindet es heute als Selbstverständlichkeit, daß man das Radio oder den Fernseher einschaltet und zumindest die österreichischen Programme ohne Probleme empfangen kann. Dies ist aber keineswegs so einfach, wie es möglicherweise erscheinen mag. Sowohl die einzelnen Fernsehbereiche als auch der UKW-Bereich haben schon sehr geringe Wellenlängen und reagieren mitunter sehr empfindlich auf Berge, Felswände, scharfe Kämme, etc. Der ORF hat aber die Verpflichtung das gesamte Bundesgebiet zu versorgen, was speziell in den bergigen Gebieten wie zum Beispiel in Tirol nicht ohne Anstrengungen möglich ist. Mit einer einzigen Sendeanlage ist dabei bei weitem noch keine ausreichende Versorgung möglich, vielmehr braucht man dazu für viele Täler eigene Sendeanlagen. Diese sind 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 20 oft ein Kompromiß; es gäbe oft Stellen die geeigneter wären, um dieses Gebiet mit einer solchen Anlage zu versorgen, doch bieten diese dann oft keine Möglichkeit für den Empfang der auszustahlenden Programme durch die Anlage. In Vorarlberg gibt es aus diesen Gründen neben der Großsendeanlage Pfänder“ noch 23 ” weitere, kleiner Sendestationen (Gesamtstromverbrauch: rund 1,67 GWh pro Jahr, was Kosten von rund 1,5 Mio. Schilling verursacht). Was vermuten die Hörer für das größere, teilweise verzweigtere Tirol? Hier sind es genau 90 Anlagen (mit Osttirol). Eine nicht gerade unbedeutende Arbeit für die Mitarbeiter der zuständigen Abteilung des ORF Tirol, die dafür zu sorgen haben, daß alle ohne Probleme funktionieren. Auf der Karte, die an dieser Stelle durchgegeben wird1 , sind alle Sendeanlagen verzeichnet, die zur Versorgung mit den Fernsehprogrammen in ganz Österreich gebaut wurden. Im folgenden ist ein Teil davon herausgezeichnet, auf der die nächsten Punkte deutlicher sichtbar sind. Abbildung 16: Einige Sendestationen und ihre Richtverbindungen • Zwischen den Großsendeanlagen Patscherkofel“ und Pfänder“ gibt es keineswegs ” ” eine direkte Verbindung, wie vielleicht vermutet werden könnte. Es sind vielmehr zwei getrennte Wege, die jeweils über mehrere Stationen führen. Die eine (obere) Verbindung läuft über die Anlagen Zugspitze Kamm“ und Ul” ” 1 A3-Karte Fernsehsender und Programmzubringung“; Quelle: ORF ” 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 21 merhütte“, die andere (untere) über Zugspitze“, Grabberg“, (Poststation) und ” ” Vorderälpele“. ” • Die weitere, sehr lange Linie in die Gegenrichtung beschreibt den Weg, den die Sendung Tirol heute“ täglich zurücklegen muß, damit diese auch in Osttirol gesehen ” werden kann. Mitunter kann es passieren, daß die Leitungen nicht richtig durchgeschalten werden, dann kommt stattdessen eben Kärnten heute“. ” (Auf dem langen Weg benötigte Stationen: Patscherkofel“, Innsbruck“, Tulfer” ” ” berg“, Münster“, Gerlosstein“, Wildkogel“, Embach“, Obertauern“, Gros” ” ” ” ” ” seck“, Dobratsch (Ktn.)“, Kronhof“, Lackenboden“ und Rauchkogel“) ” ” ” ” • Ein anderes Problem, mit dem sich die Techniker auch immer wieder befassen müssen, liegt darin, daß sich Sender, die auf gleichen Kanälen senden, mitunter gegenseitig stören. Nahegelegene Stationen verwenden daher normalerweise stets verschiedene Trägerwellen für die Ausstrahlung der Programme in ihr Gebiet. Das heißt aber auch für die verschiedenen Zwischenstationen, daß sie das Empfangene erst entschlüsseln (das heißt von der Empfangsträgerwelle“ trennen) müssen und dann mit ihrer eigenen ” Sendeträgerwelle“ modulieren, bevor sie es selbst wieder abstrahlen dürfen. ” (Erläuterungen zum Begriff Kanal auf nächster Seite!) Eine solcher ungewollter und störender Einfluß bekam vor nicht allzulanger Zeit die Station Hechenbichel“ zu spüren. ” (Versorgung durch Patscherkofel“, Kanzelkehre“, Loferer Alm“(Sbg.), Kitzbü” ” ” ” heler Horn“, Hechenbichel“) ” Diese wurde plötzlich in einer Art und Weise gestört, daß kein genügender Empfang im Versorgungsgebiet mehr möglich war. Es wurde längere Zeit nach der Ursache gesucht und schließlich im Sender Lichtenberg“ (OÖ), der ebenfalls auf Kanal 43 ” sendet, gefunden. Iritierenderweise wurde jener Sender aber überhaupt nicht verändert, weder in Bau noch bei der Leistungsabgabe. Wieso der Sender plötzlich störend durchdrückte, wissen die zuständigen Techniker bis heute noch nicht. Zur Behebung der Misere mußte eben wieder ein neuer Sender gebaut werden. 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 22 Zur Erklärung von Kanal“: ” Ein Fernsehkanal umfaßt eine Trägerfrequenz für das Bild und eine für den Ton. Kanaleinteilung Fernsehbereich I: (Kanalabstand 7 MHz) Kanalnummer Bildträger (MHz) Tonträger (MHz) mittlere Wellenlänge (m) 2 48,25 53,75 5,9 3 55,25 60,75 5,2 4 62,25 67,75 4,7 Fernsehbereich III: (Kanalabstand 7 MHz) (Dazwischen liegt der UKW-Bereich!) 5 175,25 180,75 1,69 6 182,25 187,75 1,63 7 189,25 194,75 1,57 8 196,25 201,75 1,51 9 203,25 208,75 1,46 10 210,25 215,75 1,41 11 217,25 222,75 1,37 12 224,25 229,75 1,32 Fernsehbereich IV: (Kanalabstand 8 MHz) 21 471,25 476,75 0,63 22 479,25 484,75 0,62 23 487,25 492,75 0,61 24 495,25 500,75 0,60 usw. usw. usw. usw. Fernsehbereich V: (Kanalabstand 8 MHz) 35 583,25 588,75 0,51 usw. usw. usw. usw. 60 783,25 788,75 0,38 62 799,25 804,75 0,38 Zum Beispiel sendet die Sendeanlage Patscherkofel“ auf Kanal 4 und 23 zur großräu” migen Versorgung und auf Kanal 60 und 62 für die Versorgung des Innsbrucker Stadtgebietes und die Sendeanlage Pfänder“ auf Kanal 5 und 24. ” 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 7.2 23 Großsendeanlage Patscherkofel“ ” Für Tirol ist die wichtigste Sendeanlage eben die Großsendeanlage auf dem Patscherkofel. Wie wir in den Dias noch sehen werden, haben die Dipolantennen von Kanal 4 und auch die UKW-Antennen folgende Anordnung: Von oben gesehen ein Dreieck, dessen eine Seite mit zwei Halbwellendipolen bestückt ist. (Zusätzlich sind 4 (Fernsehkanal) bis 6 (UKW) solcher Anordnungen übereinander.) Abbildung 17: Grundanordnung der UKW-Antennen am Patscherkofel Dies bedingt die Richtdiagramme, die im Anschluß enthalten sind. Eines ist jeweils berechnet (im Voraus), das andere vom Hubschrauber aus (nach Inbetriebnahme) ausgemessen. Abbildung 18: Richtdiagramme für Kanal 4 (62,25 MHz ist der entsprechende Bildträger!) 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 24 Abbildung 19: Richtdiagramme für Kanal 23 (487,25 MHz ist der entsprechende Bildträger!) 7.3 Bilderserie (Alle Fotos von Cornelia Lederle) 1. Ein Beispiel für eine bereits etwas aufwendigere Yagi-Antenne; man nennt sie aufgrund ihrer Anbringung auch Balkonantenne“. ” Dieses Beispiel hier besteht aus fünf Reflektorstäben (grob einer Parabel ähnlich angeordnet), weiters aus einem sogenannten Faltdipol (Dieser hat etwas bessere Eigenschaften als der Halbwellendipol der nur aus einem Stab besteht, vor allem bezüglich der Bandbreite, die damit empfangen werden kann; ansonsten ist er aber ähnlich.) und schließlich noch aus sieben Direktoren. 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 25 2. Nochmals dieselbe Antenne, doch nun von unten. (Sie wird verwendet für den Empfang der Kanäle 60 und 62 vom Patscherkofel.) Es wird hier recht deutlich sichtbar, wie die Direktoren mit zunehmender Entfernung vom Dipol kürzer werden, auch verändern sich die Abstände. Dies wurde so gemacht, damit durch Interferenzen das bestmögliche Richtdiagramm entsteht. 3. Noch ein komplizierteres Antennengebilde; man nennt es auch Dachantenne“. Die ” Antenne besteht aus mehreren Yagi-Antennen, die auf verschiedene Sendestationen ausgerichtet sind. Die unterste, gleichzeitig einfachste YagiAntenne ist die Empfangsantenne für die UKW-Sender (vom Pfänder“), die ande” ren drei sind auf verschiedene Fernsehsendestationen (Deutschland, Pfänder“, Säntis“ ” ” (Schweiz)) gerichtet. 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 26 4. Ein Beispiel der immer häufiger werdenden Offset-Antennen (im Volksmund Satellitenschüsseln genannt). Diese hier ist verhältnismäßig groß und massiv gebaut, für große Leistungen (Mehrfachanschlüsse,...) 5. Das ist jetzt die Großsendeanlage Patscherkofel“ in voller Größe, von Süden her ” gesehen. Unten sehen wir den Bereich, in dem die Post die Anlagen für den Richtfunk stationiert hat. Darüber der Sender für den Kanal 4, dann der UKW-Bereich und schließlich noch der UHF (ultrahoche Frequenzen)-Bereich, der sich innerhalb des Zylinder befindet. 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 27 Im Anschluß folgen einige Teilaufnahmen der Anlage: 6. Als erster der Bereich von Kanal 4 und UKW von Süden her gesehen. Man kann deutlich die Reflektoren erkennen. Außerdem sieht man, wie die Mittelteile zum Schutz gegen äußere Witterungseinflüße eingepackt und isoliert sind. 7. Dasselbe; nun aber von Osten. Hier sind deutlich die nebeneinander (und auch untereinander angeordneten) Dipole, die ins Unterland senden, zu sehen. 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 28 8. Das sind schließlich die Sender für Kanal 60 und 62, die das Innsbrucker Stadtgebiet versorgen (in Richtung Nord-West). Speziell der Kanal 62 mußte errichtet werden, um in diesem Gebiet einen ausreichenden Empfang zu gewährleisten. Der Kanal 4 bzw. 23 ist dazu nicht geeignet, da die starke Leistung, die ins Unterinntal geschickt wird, teilweise von Bergen wie dem Glungezer zurückreflektiert wird und zu große Störungen verursacht. 9. Wieder die Sender für Kanal 60 und 62 (diesmal Richtung Nord-Ost). Hier ist jeweils der ganze Sender in eine massive Konstruktion verpackt, um Witterungseinflüße (Nässe,...) zu minimieren. Diese Konstruktion ist aber nicht luftdicht, um Kondenswasser austreten zu lassen. Auch bei der Antennenkonstruktion auf dem Dach des ORF-Zentrums Innsbruck sind mehrere verpackte“ Antenne übereinander angeordnet. Über diese legte sich einmal im ” Winter eine Schneedecke, die dadurch zwei Teile verband und den Empfang trotz der Schutzmaßnahmen zusammenbrechen ließ. 7 WICHTIGES ANWENDUNGSGEBIET: RUNDFUNK UND FERNSEHEN 29 10. Die imposanten 52 Meter Höhe (2247 m Seehöhe) des Sendemastes kommen zwar bei weitem nicht an jene von zum Beispiel dem Fernsehturm in Berlin heran, der eine Gesamthöhe von 365 Meter aufweist, aber schließlich helfen ja die Berge nach. Man kann an allen Bilder auch deutlich erkennen, wie massiv die Konstruktionen sind. Aber diese müssen schließlich auch den nicht gerade unbedeutenden Winden auf dem Gipfel wiederstehen. Man nennt dies die Windlast aushalten. Bildnachweis Abbildung 1: [3, S. 49, Abb. 3.14] Abbildung 11: [1, S 185, Bild 16.03 bis 16.05] Abbildung 2: [5] Abbildung 12-13: Eigenproduktion Abbildung 3: [5] und Eigenproduktion Abbildung 14-15: [9] Abbildung 4-6: [5] Abbildung 7: [10] Abbildung 8-9: [2] Abbildung 16: nach Karte über Fernseh” sender und Programmzubringung“, Quelle: ORF Abbildung 17: Eigenproduktion Abbildung 10: [1, S 206, Bild 17.25 und 17.26] Abbildung 18: Quelle: ORF-Tirol LITERATUR 30 Literatur [1] Bergtold, Dr.-Ing. F. und Graff, Dipl.-Ing. E.: Antennen-Handbuch - Bauelemente, Planung und Technik der Fernseh- und Tonrundfunk-Emfangs-Antennenanlagen. 2. völlig neu überarbeitete Aufl. Richard Pflaum Verlag KG München 1977 [2] Bitter, Francis und Medicus, Heinrich A.: Fields and Particles - an introduction to electromagnetic wave phenomena and quantum physics. American Elsevier Publishing Inc. [3] Hecht, Eugene: Optik. 2. unveränderter Nachdruck. Addison-Wesley (Deutschland) GmbH 1992 [4] Friedman, Herbert: Die Sonne - Aus der Perspektive der Erde. Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 1987; Kapitel 4: Die veränderliche Sonne S 75-122 (Speziell: Solares Radiorauschen, S 103-106) Kapitel 5: Die solare Teilchenstrahlung S 123-157 (Speziell: Der magnetische Schild der Erde S132-135, Nordlichter S 135-140, Auswirkungen geomagnetischer Stürme S151-153) [5] Ohanian, Hans C.: Physics. 2. erweiterte Auflage. W.W.Norton & Company 1989 [6] Prantner, Thomas: Hallo, Vorarlberg! - ORF Landesstudio Vorarlberg. Dr. Peter Müller Buch- und Kunstverlag Ges.m.b.H.&Co.KG. Wien 1990 [7] Purcell, Edward M.: Elektrizität und Magnetismus. 4. neubearbeitete Auflage. Vieweg 1989 (=Berkley Physik Kurs Band 2). [8] Rothammel Karl: Antennenbuch. 2. Auflage. Franckh’sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart 1963 [9] Saupe Siegfried: Satellitenempfang - leicht gemacht. 2. Auflage. Franzis-Verlag München 1992 [10] Thirring, W.: Lehrbuch der Mathematischen Physik - 2, Klassische Feldtheorie. Springer 1978 [11] diverse Schulbücher [12] Gespräch mit zuständigem Techniker Hr. Astl beim ORF-Landesstudio Tirol am 31. Mai 1996
