Rahmenantenne

Eine Rahmenantenne ist eine meist auf einem Rahmen mit möglichst großem Querschnitt (bis ca. 30 cm) montierte Luftspule, welche als Empfangsantenne für Längst-, Lang- und Mittelwellen verwendet wird. Sie gehört zu den magnetischen Antennen, erzeugt oder empfängt also primär den magnetischen Teil des elektromagnetischen Feldes.

Rahmenantenne aus der Frühzeit des Radioempfangs

Rahmenantenne mit Tuner für 1,75 bis 30 MHz

Aufbau

Da der Umfang in der Regel wesentlich kleiner als eine halbe Wellenlänge ist, weist eine Rahmenantenne eine homogene Stromverteilung entlang des Leiters auf, anders als bei einem Halbwellendipol, der an den Dipolenden ein Spannungsmaximum und in der Mitte ein Strommaximum aufweist. Ihr Fußpunktwiderstand ist sehr niedrig und liegt je nach Windungszahl zwischen 130 bis unter 1 Ohm. Rahmenantennen können entweder breitbandig ausgeführt sein oder abstimmbar, indem ein Drehkondensator parallel geschaltet ist.

Wie alle magnetischen Antennen weist die Rahmenantenne eine Richtwirkung auf - eine senkrecht stehende Spule hat in waagerechter Ebene eine Achtercharakteristik.

Die Rahmenantenne ist von ihrer Theorie her eine sehr direkte Veranschaulichung des Induktionsprinzips, wonach die induzierte Spannung der Änderung des magnetischen Flusses proportional ist: Hier ist die Fläche A besonders groß (und normalerweise auch die Windungszahl n), um einen großen Effekt (eine hohe Induktionsspannung) zu erzielen. Die Änderung des magnetischen Flusses stammt von der wechselnden Feldstärke der vom Sender eintreffenden elektromagnetischen Strahlung oder ein Hochfrequenzstrom in der Spule erzeugt seinerseits ein Wechselfeld im Raum und in der Folge eine elektromagnetische Welle.

Sonderform

Eine Sonderform der Rahmenantenne stellt die sogenannte Loop (engl. für Schleife) oder Magnetantenne dar. Dabei handelt es sich um eine Rahmenantenne mit meist nur einer, gelegentlich auch zwei Windungen. Ihre Resonanzfrequenz liegt aufgrund der geringeren Induktion der Spule deutlich höher als die der Rahmenantenne und kann bis in den GHz-Bereich reichen.

Anwendungen

Rahmenantennen wurden zumindest früher für den Kurzwellenfunk auf Schiffen verwendet, wobei deren Richtwirkung durch eine drehbare Montage zusätzlich ausgenutzt wurde. Drehbare Rahmenantennen werden zur Funkpeilung benutzt. Das Empfangssignal hat genau dann ein Maximum, wenn die Spulenebene in Richtung Sender weist. Bei quer zur Empfangsrichtung stehender Spule ist es null.

Es gibt vereinzelt auch Radioempfänger, die als Empfangsantenne für die AM-Bereiche keine Ferritantenne, sondern eine kleine Rahmenantenne (Durchmesser hier nur ca. 10 cm) besitzen, die separat neben dem Gerät aufgestellt wird und auf den gewünschten Sender ausgerichtet werden kann.

Selbstbauten großer Rahmenantennen finden heute vor allem unter Rundfunkhörern im Mittelwellenbereich und unter Funkamateuren im Kurzwellenbereich Anwendung. Diese Rahmenantennen weisen Größen bis zu anderthalb Meter auf und werden an Weltempfängern oder eigenen Stationen betrieben. Rahmenantennen werden auch in RFID-Transpondern eingesetzt. Eine weitere Anwendung sind Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Grundgleichungen

Grundsätzlich ergeben sich die Klemmspannung U_e, Strahlungswiderstand R_s sowie Induktivität L einer Rahmenantenne näherungsweise nach folgenden Gleichungen ^[1]

$U_\mathrm{e} = \frac{2 \pi n A }{\lambda} E$ , mit E = einfallende elektrische Feldstärke, λ = Wellenlänge der Strahlung, A = Antennenfläche, n = Windungszahl

$R_\mathrm{s} = \frac{2}{3} Z_\mathrm{0} \pi ( \frac{ 2 \pi n A}{\lambda^2})^2$

$L = \mu_0 n^2 \frac{d_\mathrm{r}}{2} ln(\frac{d_\mathrm{r}}{d_\mathrm{D}})$

Daraus lässt sich unter der Annahme, dass die Drahtlänge $l < \frac{\lambda}{6}$ ist, mit dem Widerstandsbelag k' des Drahtes die entnehmbare Generatorleistung P_gmax anschreiben.

$P_\mathrm{gmax} = \frac{\pi^3 n d_\mathrm{r}^3}{16 k' \lambda^2} *E^2$

Aus diesen Gleichungen lassen sich folgende Ableitungen formulieren:

• Der Leitungswiderstand überwiegt bei allen praktischen Bauformen den Strahlungswiderstand bei weitem.
• Die entnehmbare Generatorleistung lässt sich stark durch die Fläche der Antenne beeinflussen. Die Windungszahl n geht nur linear in das Ergebnis ein.
• Der Wirkungsgrad ist, besonders bei Aufbauten mit geringer Fläche, extrem klein.

Der Einsatz von Rahmenantennen ist daher nur im Bereich niederer Frequenzen und großer Feldstärken ( > 20 μV/m) sinnvoll möglich. Als Sendeantenne ist sie wegen des kleinen Wirkungsgrades nicht geeignet.

Literatur

1. ↑ Zinke,O. und Brunswig,"Hochfrequenztechnik 1. Hochfrequenzfilter,Leitungen, Antennen", Springer-Verlag, 5.Auflage

• Ulrich Freyer: Antennentechnik für Funkpraktiker. 1. Auflage, Franzis-Verlag GmbH, Poing 2000, ISBN 3-7723-4693-6
• Gerd Klawitter: Antennenratgeber Empfangsantennen für alle Wellenbereiche. 6. Auflage, Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 2005, ISBN 3-88180-613-X

Siehe auch

• Spule (Elektrotechnik)
• Ferritstabantenne

Weblinks

• Berechnung und Bauanleitung einer Rahmenantenne