Magnetantenne

Die Magnetantenne, auch Magnetic Loop, benutzt anders als etwa ein Dipol primär die magnetische Komponente des elektromagnetischen Felds. Im Fernfeld sind die Felder beider Antennenformen nicht zu unterscheiden. Zu den Magnetantennen gehören z. B. Ferritantenne und Rahmenantenne.

Eine magnetische Antenne im engeren Sinn – eine Rahmenantenne – besteht aus einer, seltener einigen wenigen Windungen, und einem Kondensator. Sie ist also ein Schwingkreis mit möglichst großem Querschnitt der Spule.

Aufbau

HF-Empfangsrahmen, Durchmesser 100 mm, 70 kHz - 120 MHz, 1 Windung, Übertrager 50 Ohm

Die Magnetantenne besteht meist aus einer Schleife, die wie eine Spule wirkt, mit einem abstimmbaren Kondensator, die zusammen einen Schwingkreis mit hoher Güte bilden.

Magnetische Antennen werden vorzugsweise im Frequenzbereich unter 30 MHz benutzt, weil ihre wesentlich kleineren Abmessungen im Vergleich zu einem Dipol sie trotz des begrenzten Wirkungsgrades attraktiv erscheinen lassen. Empfangsseitig spielt der Wirkungsgrad in diesem Frequenzbereich sowieso keine große Rolle, weil die Rauschtemperatur der Atmosphäre zu Ausgangsspannungen führt, die weit über dem Empfängerrauschen liegen. Zudem funktioniert eine magnetische Antenne auch dann noch, wenn das elektrische Feld etwa durch Stahlbeton abgeschirmt wird. Eine magnetische Antenne eignet sich also gut als Empfangsantenne innerhalb von Räumen.

Der Umfang einer Rahmenantenne muss kleiner als 1/4 der minimalen Wellenlänge sein, damit die Antenne überhaupt mit einem Kondensator abstimmbar ist (λ/4-Resonanz). Die so begrenzte Größe der Antenne führt zu einem sehr niedrigen Strahlungswiderstand, was mit einem sehr hohen Gütefaktor des so erzeugten Schwingkreises kompensiert werden muss. Die mit dem Gütefaktor verbundene Resonanzüberhöhung führt zu sehr hohen Strömen und Spannungen in einer magnetischen Antenne, was die Bauform aus einem Rohr und einem Plattenkondensator mit großem Plattenabstand erzwingt. Schon bei kleinen Sendeleistungen (z. B. 10 W) treten hohe Ströme und im Kondensator sehr hohe Spannungen auf.

Die besten Ergebnisse liefert ein möglichst kurzer Leiter, der eine möglichst große Fläche einschließt. Deshalb sollte die Schleife möglichst rund sein. Aus konstruktiven Gründen werden aber auch Rechteck- und Quadratform sowie als Fünf-, Sechs- und andere Vielecke benutzt.

Als Material der Schleife werden bei kommerziell hergestellten Sendeantennen vorzugsweise Aluminiumrohre benutzt. Für den Eigenbau sind natürlich auch andere gute elektrische Leiter, z. B. Kupfer-Rohre aus dem Installationbereich, üblich. Wichtig ist eine möglichst große Oberfläche des Leiters, weil durch den Skineffekt nur die äußerste Schicht des Leiters wesentlich zur Leitungsfähigkeit beiträgt. Verwendung finden teils aber auch Quadrat- und Flachprofile, sowie die Außenleiter von Koaxialkabeln. Als Kondensatoren kommen üblicherweise Platten- oder Rohrkondensatoren zur Anwendung, die am besten direkt mit der Schleife verschweißt oder verlötet werden sollten. Die Ein- und Auskopplung der Hochfrequenz (HF) erfolgt mittels einer Koppelschleife oder Gamma-Match.

Wirkungsweise und Eigenschaften

Die magnetische Komponente überwiegt gegenüber der elektrischen Komponente umso mehr, je kleiner der Umfang der Antenne gegenüber der Wellenlänge (λ) ist. So spricht man bei Magnetantennen von 0,3 bis 0,1 λ auch von einer elektromagnetischen Antenne und bei Umfängen < 0,1 λ von magnetischen Antennen. Magnetantennen ermöglichen einen sehr kompakten und raumsparenden Aufbau, allerdings nimmt mit der Verkleinerung der Antennen gegenüber λ auch deren Wirkungsgrad ab. Dadurch sind sie für Sendezwecke meist nicht geeignet. Dieser Antennentyp ist sehr selektiv und wirkt wie ein Preselektor, mit dem Vorteil, dass das Signal/Rausch-Verhältnis günstiger wird und die Empfänger bei starken Nachbarsignalen weniger überfordert werden. Auch im Sendefall reduziert sie deutlich störende Beeinflussungen von elektronischen Geräten in der Nachbarschaft, die sich oft wegen technischer und konstruktiver Unzulänglichkeiten hierfür anfällig zeigen. Wegen der stärkeren magnetischen Komponente reagiert die Magnetantenne weniger empfindlich auf Umgebungseinflüsse durch Mauern (ausgenommen Stahlbeton), Bäume und ähnliches. Als Nachteil wird meist genannt, dass mit jedem Frequenzwechsel auch die Antenne nachgestimmt werden muss und dass, zumal bei kleinen Bauformen, der Wirkungsgrad spürbar schlechter wird.

Bei vertikaler Montage verfügen Magnetantennen über eine vertikale Polarisationsebene und auch über eine deutliche bidirektionale Richtwirkung. Das kann man einerseits für die Positionsermittlung und Ausblendung störender Signale nutzbar machen, andererseits entsteht das Problem, dass man für eine ausreichende Empfangsfeldstärke immer für eine korrekte Ausrichtung der Antenne sorgen muss (durch Drehung). Nachteilig ist hier auch, dass im Sendefall ein Teil der Sendeenergie in den Boden und senkrecht nach oben abgestrahlt wird. Bei horizontaler Montage stellt sie einen Rundstrahler mit, abhängig von Montagehöhe, Bodenleitfähigkeit und Umgebung, tendenziell flacher Abstrahlung dar, die, verlustarme Konstruktion vorausgesetzt, auch gute Weitverbindungen (DX) ermöglicht.

Anwendung

Magnetantennen sind in der Funktechnik schon lange bekannt und wurden zumindest früher für den Kurzwellenfunk auf Schiffen und Luftfahrzeugen in Peilreinrichtungen und zur Flugsicherung verwendet. Heute werden sie für Spezialfälle im Amateurfunk verwendet, sowie zur Kommunikation mit getauchten U-Booten und für RFID-Anwendungen, wobei teilweise deren Richtwirkung durch eine drehbare Montage zusätzlich ausgenutzt wurde und wird.

Literatur

• Karl Rothammel u. Alois Krischke: Rothammels Antennenbuch. 11. Auflage, Franckh-Kosmos Verlag, Stuttgart 1995, ISBN 3-440-07018-2

Weblinks

• Passive Magnetische Empfangs-Rahmenantenne (PDF-Datei; 19 kB)
• Berechnungsprogramm für Magnetantennen