Antennenzufuhr

Ein Funksender oder -empfänger ist mit einer Antenne verbunden, die Funkwellen aussendet bzw. empfängt . ^{[ 1 ]} Das Antennenspeisesystem bzw. die Antennenzuleitung besteht aus Kabel oder Leiter und weiteren zugehörigen Komponenten, die den Sender oder Empfänger mit der Antenne verbinden und die Kompatibilität der beiden Geräte gewährleisten. ^{[ 2 ] [ 3 ]} In einem Funksender erzeugt der Sender einen Wechselstrom mit Hochfrequenz . Das Speisesystem leitet diesen Strom zur Antenne, die die im Strom enthaltene Energie in Funkwellen umwandelt. In einem Funkempfänger regen die einfallenden Funkwellen winzige Wechselströme in der Antenne an. Das Speisesystem leitet diesen Strom zum Empfänger weiter, der das Signal verarbeitet.

Für eine effiziente Übertragung von Hochfrequenzstrom muss die Zuleitung zwischen Sender oder Empfänger und Antenne ein spezielles Kabel, eine sogenannte Übertragungsleitung, sein . Im Mikrowellenbereich werden häufig Hohlleiter eingesetzt, d. h. Hohlleiter aus Metall, die Radiowellen leiten. Bei einer Parabolantenne (Spiegelantenne) umfasst die Zuleitung üblicherweise auch die Speiseantenne ( Speisehorn ) , die die Radiowellen aussendet oder empfängt. Insbesondere bei Sendern ist das Speisesystem eine kritische Komponente, die für die Impedanzanpassung von Antenne, Zuleitung und Sender sorgt. Hierfür kann das Speisesystem auch Antennenanpassungsschaltungen oder Anpassungsnetzwerke zwischen Antenne und Zuleitung sowie zwischen Zuleitung und Sender enthalten. ^{[ 4 ]} Der Speisepunkt einer Antenne ist der Punkt am Speiseelement, an dem die Zuleitung angeschlossen wird.

Bei einem Sender umfasst die Antennenzuführung alle Komponenten zwischen dem Endverstärker des Senders und dem Speisepunkt der Antenne. ^{[ 4 ]} Bei einem Empfänger umfasst sie alle Komponenten zwischen der Antenne und den Eingangsklemmen des Empfängers. In manchen Fällen, wie z. B. bei Parabolantennen, schließt sie auch die Speiseantenne oder das Speisehorn mit ein .

Bei manchen Funkgeräten ist die Antenne direkt am Sender oder Empfänger angebracht, wie beispielsweise bei den Stabantennen von Walkie-Talkies und tragbaren FM-Radios , den Dipolantennen von WLAN-Routern und den PIFA- Antennen in Mobiltelefonen. In diesem Fall besteht das Speisesystem lediglich aus einer Impedanzanpassungsschaltung (falls erforderlich) zwischen Antenne und Sender bzw. Empfänger, die die Impedanz der Antenne an die des Funkgeräts anpasst. ^{[ 4 ]}

In anderen Fällen befindet sich die Antenne getrennt vom Sender oder Empfänger, beispielsweise bei Fernsehantennen und Satellitenschüsseln auf Wohnhausdächern, Sektorantennen an Mobilfunkmasten , drehbaren Radarantennen an Flughäfen und Antennentürmen von Radio- und Fernsehsendern . ^{[ 4 ]} In diesem Fall ist die Antenne über ein Kabel , die sogenannte Zuleitung , mit dem Sender oder Empfänger verbunden . Um den Hochfrequenzstrom (HF-Strom) effizient zu übertragen, besteht die Zuleitung aus einem speziellen Kabel, der Übertragungsleitung . Der Vorteil von Übertragungsleitungen liegt in ihrer gleichmäßigen charakteristischen Impedanz , wodurch abrupte Impedanzsprünge vermieden werden, die zu einer Rückreflexion der Hochfrequenzenergie entlang der Leitung führen würden. Die wichtigsten Arten von Übertragungsleitungen sind Paralleldrahtleitungen ( Zwillingsleitungen ), Koaxialkabel und, für Mikrowellen, Hohlleiter .

Bei einer Radioantenne ist die Zuleitung ( auch Speiseleitung genannt ) das Kabel oder die Übertragungsleitung , die die Antenne mit dem Sender oder Empfänger verbindet . ^{[ 5 ]} Bei einer Sendeantenne speist sie den Hochfrequenzstrom (HF-Strom) vom Sender zur Antenne, wo die Energie des Stroms als Radiowellen abgestrahlt wird . Bei einer Empfangsantenne überträgt sie die durch die Radiowelle induzierte, winzige HF-Spannung an den Empfänger. Um HF-Strom effizient zu übertragen, bestehen Speiseleitungen aus speziellen Kabeltypen, den sogenannten Übertragungsleitungen . Die gebräuchlichsten Speiseleitungstypen sind Koaxialkabel , Zweidrahtleitungen , Hühnerleiterkabel und, im Mikrowellenbereich , Hohlleiter .

Insbesondere bei Sendeantennen ist die Zuleitung eine kritische Komponente, die für den korrekten Betrieb mit Antenne und Sender optimal eingestellt werden muss. Jede Übertragungsleitung besitzt eine spezifische charakteristische Impedanz . Diese muss an die Impedanz von Antenne und Sender angepasst werden, um eine effiziente Leistungsübertragung zur Antenne zu gewährleisten. Bei einer nicht optimalen Impedanzanpassung können sogenannte stehende Wellen auf der Zuleitung entstehen. Dabei wird die HF-Energie zum Sender zurückreflektiert, was zu Energieverlusten und möglicherweise zur Überhitzung des Senders führt. Die Anpassung erfolgt mit einem Antennentuner im Sender und gegebenenfalls mit einem Anpassungsnetzwerk an der Antenne. Der Grad der Fehlanpassung zwischen Zuleitung und Antenne wird mit einem SWR-Meter (Stehwellenverhältnis-Meter) gemessen, das das Stehwellenverhältnis (SWR) der Leitung misst.

Kabeleigenschaften einiger gängiger Zuleitungstypen

Kabeltyp​	Nennimpedanz ( Ω ) ​	Geschwindigkeitsfaktor ( %  c )
Funkkoaxialkabel	50	66 (fest) 80 (Schaum)
Video-Koaxialkabel	75
Doppeladriges Flachbandkabel	300	82
Fensterlinie	450	95–99
offene Drahtleitung	500–600

Quelle: ^{[ 6 ]}

Zwillingsleitungen werden verwendet, um FM-Radios und Fernsehgeräte mit ihren Antennen zu verbinden. In letzterem Bereich wurden sie jedoch weitgehend durch Koaxialkabel ersetzt. Sie dienen auch als Zuleitung für Sender mit geringer Leistung, wie beispielsweise Amateurfunkgeräte . Eine Zwillingsleitung besteht aus zwei parallel verlaufenden, gleichmäßig abgetrennten Leitern, die in Polyethylen -Isoliermaterial zu einem flachen, bandförmigen Kabel ummantelt sind. Der Abstand zwischen den beiden Leitern ist im Vergleich zur Wellenlänge des übertragenen HF-Signals gering. Der HF- Strom in einem Leiter ist gleich groß , aber entgegengesetzt gerichtet wie der HF-Strom im anderen Leiter. Daher sind die von den beiden Leitern abgestrahlten Funkwellen in größerer Entfernung von der Leitung gegenphasig und löschen sich gegenseitig aus.

Aus demselben Grund ist die Doppelleitung auch weitgehend immun gegen Funkstörungen und Hochfrequenzinterferenzen (RFI), solange beide Drähte den gleichen Abstand zu großen Metallgegenständen oder anderen parallelen Drähten haben. Unerwünschte externe Funkwellen induzieren in beiden Drähten Ströme gleicher Stärke und gleicher Richtung (Phasengleichheit). Da der Empfängereingang symmetrisch ist und nur auf differentielle (entgegengesetzte) Ströme reagiert, heben sich die Störströme gegenseitig auf.

Zweileiterkabel werden häufig als „ symmetrische Leitung “ bezeichnet. Diese Bezeichnung sollte jedoch relativiert werden: Alle Kabeltypen, ob parallele Leitungen oder Koaxialkabel, können sowohl symmetrischen als auch unsymmetrischen Strom führen, der Störungen verursacht. Daher muss jede Zuleitung sorgfältig geprüft werden, um einen symmetrischen Zustand zu erreichen. Andernfalls kann es zu einem unsymmetrischen Zustand kommen. Alle Leitungen sollten mit symmetrischem Strom gespeist und an mehreren Stellen mit Strombaluns (oder „Leitungsisolatoren“) verbunden werden , um die Störungen durch den unsymmetrischen Strom zu eliminieren.

Koaxialkabel sind wahrscheinlich die am weitesten verbreitete Zuleitungsart für Frequenzen unterhalb des Mikrowellenbereichs ( SHF ). Sie bestehen aus einem Drahtinnenleiter und einem ihn umgebenden, geflochtenen oder massiven Metallschirm, üblicherweise aus Kupfer oder Aluminium . Der Innenleiter ist durch ein Dielektrikum , meist Schaumstoff, vom Schirm getrennt, um einen konstanten Abstand zwischen den beiden Leitern zu gewährleisten. Der Schirm ist mit einer äußeren Kunststoffisolierung umhüllt. Bei starren Koaxialkabeln , die für Hochleistungsübertragungsanwendungen wie Fernsehsender eingesetzt werden , besteht der Schirm aus einem starren oder flexiblen Metallrohr, das ein komprimiertes Gas wie Stickstoff enthält . Der Innenleiter wird durch regelmäßig angeordnete Kunststoffabstandshalter zentriert.

Coax is called "unbalanced line", since the shield conductor is usually connected to electrical ground, however the currents that flow along the center conductor are balanced by opposite currents that skim along the interior surface of the shield; only the current flowing on the exterior surface of the coaxial shield is actually unbalanced. If that current can be blocked, then the coax becomes a "balanced line". Coaxial cable's great advantage is that the enclosing shield conductor isolates the cable's interior currents from external electromagnetic fields. If the currents flowing on external surface are blocked, coax becomes unaffected by nearby metal objects and immune to interference.

Waveguide is used at microwave (SHF) frequencies, at which other types of feedline have excessive power losses. A waveguide is a hollow metallic conductor or pipe. It can have a circular or square cross-section. Waveguide runs are often pressurized with nitrogen gas to keep moisture out. The RF signal travels through the pipe similarly to the way sound travels in a tube. The metal walls keep it from radiating energy outwards and also prevent interference from entering the waveguide. Because of the cost and maintenance waveguide entails, microwave antennas often have the output stage of the transmitter or the RF front end of the receiver located at the antenna, and the signal is fed to or from the rest of the transmitter or receiver at a lower frequency, using coaxial cable. A waveguide is considered an unbalanced transmission line.

Insbesondere bei Sendeantennen ist die Antennenzuleitung eine kritische Komponente, die für die Kompatibilität mit Antenne und Sender angepasst werden muss. ^{[ 4 ]} Die Ausgangsklemmen des Senders, die Übertragungsleitung und die Antenne besitzen jeweils eine spezifische charakteristische Impedanz , d. h. das Verhältnis von Spannung zu Strom an den Klemmen des jeweiligen Bauteils. Um maximale Leistung zwischen Sender und Antenne zu übertragen, müssen Sender und Zuleitung impedanzangepasst an die Antenne sein. ^{[ 2 ]} Das bedeutet, Sender und Antenne müssen den gleichen Widerstand und eine gleich große, aber entgegengesetzte Reaktanz aufweisen . Die Zuleitung muss ebenfalls impedanzangepasst an den Sender sein. ^{[ 7 ]} Ist diese Bedingung erfüllt, absorbiert die Antenne die gesamte von der Zuleitung zugeführte Leistung. Stimmen die Impedanzen an den Enden der Leitung nicht überein, entstehen sogenannte stehende Wellen (hohes VSWR ) auf der Zuleitung. Dabei wird ein Teil der HF-Leistung nicht von der Antenne abgestrahlt, sondern zum Sender zurückreflektiert, was zu Energieverlust und möglicherweise zur Überhitzung des Senders führt. Die meisten Sender haben eine Standard-Ausgangsimpedanz von 50  Ohm und sind für den Anschluss an 50-Ohm-Koaxialkabel ausgelegt.

Der Sender wird mittels eines Antennentuners ( auch Antennenanpassungseinheit oder Anpassungsnetzwerk genannt ) an die Zuleitung angepasst. Dieser kann entweder in den Sender integriert oder als separates Gerät zwischen Sender und Zuleitung geschaltet sein. ^{[ 4 ] [ 2 ]} Gegebenenfalls befindet sich ein weiteres Anpassungsnetzwerk zwischen Antenne und Zuleitung, um die Zuleitung an die Antenne anzupassen. ^{[ 7 ]} Bei drahtlosen Endgeräten für Endverbraucher, die mit festen Frequenzen arbeiten, ist das Anpassungsnetzwerk nicht einstellbar und im Gehäuse des Geräts integriert. Bei großen Sendern wie Rundfunkstationen und Sendern, die auf verschiedenen Frequenzen arbeiten, wie z. B. Kurzwellensendern, ist der Antennentuner hingegen einstellbar. Änderungen der Senderfrequenz oder Anpassungen an der Ausgangsstufe oder der Antenne verändern typischerweise die Impedanz. Daher muss nach jeder Arbeit am Sender oder an der Antenne das Stehwellenverhältnis (SWR) überprüft und das Anpassungsnetzwerk entsprechend angepasst werden. Zur Justierung des Anpassungsnetzwerks ist das einfachste Instrument zur Messung der Fehlanpassung zwischen Zuleitung und Antenne ein SWR-Meter (Stehwellenverhältnis-Meter). Dieses misst das Stehwellenverhältnis (SWR) der Leitung: das Verhältnis der benachbarten maximalen und minimalen Spannung bzw. des Stroms. Ein Verhältnis von 1:1 bedeutet eine optimale Impedanzanpassung, d. h. die Last ist rein ohmsch, sodass die gesamte Leistung absorbiert und keine reflektiert wird. Ein höheres Verhältnis deutet auf eine Fehlanpassung und reflektierte Leistung hin. Das Anpassungsnetzwerk wird so lange justiert, bis das SWR unter einem akzeptablen Grenzwert liegt. Weitere, fortgeschrittenere Instrumente sind Impedanzbrücken und Antennenanalysatoren .

Da bei einem impedanzangepassten Sender der Quellwiderstand des Senders der Impedanz der Zuleitung und dem Lastwiderstand der Antenne entspricht und beide in Reihe in der Zuleitung geschaltet sind und die gleiche Leistung verbrauchen, beträgt die maximal an die Antenne abzugebende Leistung 50 % der Ausgangsleistung des Senders; die anderen 50 % werden durch den Widerstand in der Ausgangsstufe des Senders als Wärme abgeführt. (Die angepasste Zuleitung verbraucht zwar eine geringe Leistung durch einen kleinen Widerstand, aber der größte Teil ihrer scheinbaren ohmschen Impedanz entspricht lediglich der Spannung, die benötigt wird, um die induktiven und kapazitiven Blindwiderstände der Zuleitung zu überwinden, welche ihrerseits keine Verluste verursachen.)

Bei Funkempfängern führt eine Fehlanpassung der Impedanz an die Antenne zu einer ähnlichen Reduzierung der vom Antennensignal empfangenen Signalenergie, die maximal 50 % der Leistung des empfangenen Signals beträgt. Die dem Empfänger zugeführte Leistung ist deutlich geringer, wenn die Leitung fehlangepasst ist und das Stehwellenverhältnis (SWR) hoch ist. Verluste bei Frequenzen unter 10–20 MHz sind jedoch unproblematisch, da das thermische Rauschen im Empfänger weit unter dem bereits im Signal enthaltenen atmosphärischen Rauschen liegt. Ein schwaches Signal von der Antenne kann daher im Empfänger einfach verstärkt werden, um den durch Fehlanpassung bedingten Leistungsverlust auszugleichen, ohne es merklich mit Rauschen zu verfälschen. Bei Frequenzen über 20 MHz strahlt das atmosphärische Rauschen ungehindert in den Raum ab und ist in den empfangenen Signalen so gering, dass es sich dem Pegel des geräteinternen Rauschens des Empfängers annähert. Bei diesen VHF- und UHF- Frequenzen verschlechtert die Verstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis , und die Impedanzanpassung des Empfangssignals ist für den Empfang schwacher Signale von großer Bedeutung.

Übertragungsleitungen und die daran angeschlossenen Komponenten lassen sich in symmetrische und unsymmetrische Leitungen unterteilen. Bei symmetrischen Leitungen haben beide Seiten die gleiche Impedanz gegen Erde, wie beispielsweise Dipolantennen und Parallelleitungen . Bei unsymmetrischen Leitungen ist eine Seite der Leitung mit Erde verbunden , wie beispielsweise Monopolantennen und Koaxialkabel . ^{[ 8 ]} Zum Verbinden symmetrischer und unsymmetrischer Komponenten wird ein Zweitor- Bauteil, der sogenannte Balun, verwendet. Ein Balun ist ein Transformator , der die symmetrischen und unsymmetrischen Komponenten einer Übertragungsleitung koppelt. Um beispielsweise eine Dipolantenne über eine unsymmetrische Zuleitung wie ein Koaxialkabel zu speisen, wird die Zuleitung über einen Balun mit der Antenne verbunden . Ohne den Balun würde der unsymmetrische Stromanteil auf der Außenseite der Koaxialkabelabschirmung fließen, wodurch die Außenfläche der Abschirmung als Antenne fungieren würde. ^{[ 9 ]}

Komplexere Zuleitungen können neben der Zuleitung und den passenden Netzwerken weitere Komponenten aufweisen:

Eine Empfangsantenne mit langer Zuleitung kann einen Verstärker an der Antenne haben, einen sogenannten rauscharmen Verstärker (LNA), der die Leistung der schwachen Funksignale erhöht, um die Dämpfung in der Zuleitung auszugleichen.

Bei Mikrowellenfrequenzen weisen herkömmliche Übertragungsleitungen zu hohe Leistungsverluste auf. Um Mikrowellen verlustarm zu übertragen, werden sie daher in Hohlleitern – hohlen Metallrohren – geführt. Aufgrund der hohen Kosten und des Wartungsaufwands werden lange Hohlleiterstrecken vermieden. Parabolantennen, die im Mikrowellenbereich eingesetzt werden, verfügen daher oft über einen HF-Eingangsbereich des Empfängers oder Teile des Senders direkt an der Antenne. Beispielsweise ist bei Satellitenschüsseln das Speisehorn , das die Mikrowellen sammelt, mit einem sogenannten rauscharmen Blockumsetzer (LNB oder LNC) verbunden. Dieser wandelt die hohe Mikrowellenfrequenz in eine niedrigere Zwischenfrequenz um , sodass sie über ein kostengünstigeres Koaxialkabel ins Gebäude übertragen werden kann.

Radar- und Satellitenkommunikationsantennen können Funkwellen verschiedener Frequenzen und Polarisationen verarbeiten und sowohl als Sende- als auch als Empfangsantennen eingesetzt werden, sodass das Speisesystem Funksignale in beide Richtungen überträgt. Daher verfügen diese Antennen oft über komplexere Speisesysteme mit speziellen Komponenten wie …

• Richtkoppler , die Radiowellen, die sich in eine Richtung bewegen, aber nicht in die andere, auskoppeln, um das empfangene Signal vom gesendeten Signal zu trennen.
• Polarisatoren , die Radiowellen einer Polarisation durchlassen
• Orthomode-Wandler , die Funksignale unterschiedlicher Polarisationen kombinieren oder trennen
• Diplexer, die zwei verschiedene Frequenzen kombinieren oder trennen
• Phasenschieber , die die Phase der Radiowellen verändern
• Wellenleiterschalter
• Wellenleiter-Drehgelenke

Eine Antennenanordnung besteht aus mehreren Antennen , die an einen Sender oder Empfänger angeschlossen sind und gemeinsam Funkwellen aussenden oder empfangen. Die Speisesysteme von Antennenanordnungen sind verständlicherweise komplexer als die von Einzelantennen. Das Speisenetzwerk muss die Sendeleistung gleichmäßig auf die Antennen verteilen. Um eine ebene Welle auszusenden, müssen die einzelnen Antennenelemente einer Sendeantenne mit Strom in einer bestimmten Phasenbeziehung versorgt werden. Ähnlich verhält es sich bei Empfangsantennen: Die Ströme der einzelnen Elemente müssen unter Umständen phasenverschoben werden, damit sie sich im Empfänger phasengleich überlagern. Dies kann Phasenverschiebungsnetzwerke an jedem Element erfordern. Bei Phased-Array -Antennen, einer Art von Antennenanordnung, bei der der Strahl elektronisch in verschiedene Richtungen gelenkt werden kann, wird jedes Antennenelement über einen programmierbaren Phasenschieber mit Strom versorgt, der von einem Computer gesteuert wird.

• Stehwellenverhältnis
• Antennentuner