Rundfunk-Sendeantennen im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich



Dieser Beitrag ist die (von mir ergänzte und den aktuellen Gegebenheiten angepasste) Wiedergabe eines Aufsatzes von DI Fritz Behne vom ehemaligen Senderbau von BBC, erschienen in der Zeitschrift FUNKSCHAU, Ausgabe 26/1975 S. 44-47 u. 01/1976 S. 23-25
Die Technik von Rundfunk-Sendeantennen dürfte vielen wie eine "Geheimwissenschaft" vorkommen. Das ist kein Wunder, denn außer wenigen Großfirmen, die solche Antennen bauen, und den Sendegesellschaften, die sie anwenden, erfährt kaum ein Außenstehender, mit welchen Kniffen die Konstrukteure Spezialwünsche erfüllen.
Langwellenantennen
Das Anwendungsgebiet der Langwellen ist vorwiegend die zuverlässige Versorgung großer Gebiete bei Tage (guter Empfang bis etwa 500 km Entfernung). Infolge des hohen Störpegels sind hierfür hohe Sendeleistungen erforderlich. Die angewendete Polarisation ist wegen der notwendigen Bodenwelle und auch aus wirtschaftlichen Gründen hinsichtlich der Bauhöhe ausschließlich vertikal. Die Problematik bei Langwellenantennen sind der schlechte Wirkungsgrad und die hohe Spannung am Strahler.
Vertikalstrahler mit Dachkapazität
Die Verwendung einer Dachkapazität, meist in der Form eines flachen, nach unten geneigten Schirmes aus 3 bis 6 am Ende isolierten Seilen, die von der Mastspitze ausgehen, erlaubt auch Bauhöhen, die wesentlich unterhalb einer Viertelwellenlänge liegen, ohne dass der Strahlungswiderstand und damit der durch die Erdverluste bestimmte Wirkungsgrad zu klein wird. Macht man die Länge dieser Schirmseile variabel, so kann man die Fußpunktsreaktanz so beeinflussen, dass man zur Anpassung an ein Speisekabel den teuren Serienkondensator vermeidet und lediglich eine Parallelspule benötigt, die gleichzeitig die statische Ladung bei Gewitter ableitet. Die damit aber erhöhte Spannungsbeanspruchung des Fußisolators begrenzt die Trägerleistung einer solchen Anordnung auf etwa 1 MW, da Mastfußpunktisolatoren über 100 kV Spannungsfestigkeit nur schwer realisierbar sind.
 
Bild 1. Die Langwellensendeanlage des "Deutschlandfunks" in Donebach bei Buchen im Odenwald besteht aus 2 je 363 m hohen Masten. Die Speisung erfolgt über die Abspannseile (gelbe Pfeile), die etwa in 300 m in den Mast münden (oranger Pfeil). Der Mast identischer Bauart im Hintergrund dient dazu, eine Ausblendung gegenüber dem Sender Brasov in Rumänien auf gleicher Frequenz (153 kHz) zu erreichen.
Ausgedehnte Dachkapazitäten von der Größenordnung eines Kilometers kommen nur für Längstwellenantennen hoher Leistung in Frage, deren Anwendungsgebiet aber praktisch nur im militärischen Bereich liegt (Versorgung von Unterseebooten unter Wasser) und daher hier nicht näher beschrieben werden soll.
Nebeneinander angeordnete Strahlergruppen
Im Langwellenbereich werden zur Unterdrückung der Strahlung in Richtung von Gleichwellenbenutzern Richtstrahler verwendet, was bei der Knappheit der verfügbaren Langwellenkanäle bei einem Großteil der leistungsstarken Anlagen auch erforderlich ist. Weiters verwenden kommerzielle Sendeanstalten Richtantennen, um am Tage einen ganzen Nachbarstaat zu versorgen. Aus wirtschaftlichen Gründen kommen dafür meist nur Masten mit Dachkapazität in Frage. Systeme mit zwei bis vier Masten kommen zur Anwendung. Die Trägerleistungsgrenze liegt je nach Anzahl der Strahlermasten zwischen 2 und 3 MW (Beispiel: Europa 1, bei Saarlouis).
Mehrfach gefaltete Unipole
Diese Antennenform stellt praktisch eine gleichphasige Strahlergruppe dar, bestehend aus einem Mittelmast und zwei bis drei Masten im Kreis um diesen herum. Die Speisung der Außenmasten erfolgt über eine Verbindung ihrer Spitzen mit der Spitze des am Fuß gespeisten Mittelmastes. Zur Abstimmung der Außenmasten werden induktive Blindwiderstände zwischen Mastfuß und Erde verwendet. Wählt man den Abstand zwischen Mittelmasten und Außenmasten günstig, so haben alle Maste einschließlich des Mittelmastes die gleiche Stromverteilung nach Amplitude und Phase und gleichzeitig einen nach oben verschobenen Strombauch. Der durch die Spitzenverbindung entstehende horizontal polarisierte Strahlungsanteil ist gering und praktisch vernachlässigbar. Die Antenne stellt praktisch einen Rundstrahler dar. Infolge der Stromteilung auf 3 bis 4 gleiche Strahler durch die "Faltung" werden die Erdverluste und ohmschen Verluste im Strahler erheblich vermindert und damit der Wirkungsgrad verbessert, der sonst infolge des geringen Strahlungswiderstandes der elektrisch kurzen Strahler (im Vergleich zur Wellenlänge) bei nicht optimalem Erdnetz schlecht sein kann. Er wird außerdem noch durch die Leistungsverluste in den Abstimmspulen am Fuß der Außenmasten verschlechtert, so dass Masthöhen unter 0,1 Wellenlängen ungünstig sind. Die Trägerleistung solcher Antennen kann über 2 MW betragen; sie werden vor allem für Längstwellen verwendet.
Hohe selbst strahlende Maste
Bei selbst strahlenden Masten kann man Höhen bis zu einer halben Wellenlänge verwenden, was Bauhöhen über 600 m entspricht. Die Einspeisung erfolgt am Mastfuß, und bei Trägerleistungen von 2 MW müssen Fußpunktsspannungen von 100 kV isoliert werden. Bei dem teuren Anpassungsglied, das aus einer Parallelkapazität zum Antennenfußisolator und einer Serienspule zum Speisekabel besteht, wird die Kapazität häufig als in der Mastachse isoliert aufgehängte Rohrleitung ausgeführt, die gegen die Maststruktur eine Koaxialleitung darstellt. Isolatorenlängen von 2 m müssen in Kauf genommen werden, um 100 kV zu isolieren, sowohl am Mastfuß als auch für eine Stichleitung, falls sie verwendet wird.

Die Vorteile des hohen Strahlungswiderstandes infolge der großen Mastlänge sind gute Wirkungsgrade. Die hohe Bodenwellenfeldstärke erfordert einen Bebauungsabstand von 0,5 bis 1 km, damit die Gefährdungsgrenze für Menschen von etwa 200 V/m nicht überschritten wird. Die Trägerleistungsgrenze liegt heute bei 2 MW. Die einzige in dieser Weise errichtete Langwellen-Sendeanlage bei Konstantynów nahe Płock in Polen (100 km nordwestlich von Warschau) war bis 2008 mit 646,38 m das höchste auf der Welt errichtete Bauwerk. Bei Renovierungsarbeiten stürzte der Mast am 10. August 1991 in sich zusammen und wurde hauptsächlich wegen Anrainerprotesten nicht wieder aufgebaut (1995 Ersatz durch Sendeanlage Solec Kujawski mit 2 Masten - oben gespeister 330 m-Sendemast und 289 m-Mast zur Erzielung einer Richtwirkung nach Südosten).

 
Mittelwellenantennen
Weltweit werden Mittelwellensender vorwiegend zur kostengünstigen Versorgung eines lokal begrenzten Gebietes verwendet, wobei die Sendeleistungen 10 kW meist nicht übersteigen. Das Anwendungsgebiet leistungsstärkerer Sender auf Mittelwelle ist vorwiegend die Versorgung eines Gebietes bis 200 km Entfernung am Tage und zusätzlich eine überregionale Versorgung mit durch Schwundeffekte verminderter Qualität bei Nacht bis etwa 1500 km Entfernung. Problematisch sind hier die Breite und Entfernung der Nahschwundzone durch Interferenz von Boden- und Raumwelle, wodurch die nächtliche Reichweite bei guter Qualität begrenzt wird.

Eine maximale Tagesreichweite und eine große überregionale Nachtreichweite erfordern eine starke horizontale Abstrahlung (Grafik 1), während in der Nacht für das zu versorgende Landesgebiet die Unterdrückung der Steilstrahlung entscheidend ist. Eine Beeinflussung der Steilstrahlung durch hügeliges Gelände am Antennenaufstellungsort ist oft auch durch geschickte Antennenformen nicht mehr zu beheben. Gleichzeitige E- und F-Schicht-Reflexionen erschweren die Schwundzonenermittlung im voraus.

Grafik 1. Theoretische Vertikaldiagramme für Monopolantennen:
Das Diagramm zeigt, dass Antennen mit einer Höhe von etwa 0,55 Wellenlänge (grüne Kurve 190° = 0,53 Wellenlänge) die höchste Effektivität haben, da die Abstrahlung der Sendeenergie flach erfolgt. Bei höheren Antennen (225° = 0,63 Wellenlänge) bildet sich eine 2. Keule, deren Sendeenergie tagsüber sinnlos in den Himmel gestrahlt und nachts zu unerwünschten Schwunderscheinungen führen würde. Für die auf Mittelwelle (eher selten angewandte; z.B. früher Radio Luxemburg aus Marnach) Fernausstrahlung bei Nacht sind dagegen kurze Antennen (rote Kurve 36° = 0,38 Wellenlänge) sinnvoll, da dann ein Großteil der Sendeenergie gegen die Ionosphäre gestrahlt und dort reflektiert werden soll.
Fußgespeiste selbst strahlende Maste
Infolge der von unten nach oben zusätzlich bestehenden fortschreitenden Welle wird die Steilstrahlung nachteilig beeinflusst, so dass auch schwundarme Strahler von etwa 0,55 bis 0,6 Wellenlängen Höhe kaum nahschwundarme Entfernungen über 90 km bei Nacht ermöglichen. Diese meistens verwendete Antennenform hat einen guten Wirkungsgrad und bewirkt gute Tagesversorgung. Sie kann heute bis etwa 2 MW Trägerleistung gebaut werden.
Höhengespeiste oder mehrfach gespeiste,
isoliert unterteilte selbst strahlende Maste
Wird ein Mast durch Zwischenisolationen elektrisch unterteilt, so können diese "Schlitze" entweder mit einer - eventuell variablen - Reaktanz überbrückt werden (zur Formung einer bestimmten vorteilhaften Vertikalstrahlungsverteilung) oder zur Einspeisung der ganzen oder eines Teiles der Sendeleistung dienen. Durch letztere Maßnahme kann die auf dem Mast fortschreitende Welle hinsichtlich der von ihr erzeugten unerwünschten Zusatzstrahlung vollständig kompensiert werden, wenn die Einspeisung an zwei Stellen (Fuß und Zwischenisolation) gleichzeitig mit richtigem Amplitudenverhältnis und richtiger Phasendifferenz erfolgt. Die Umschaltung der Überbrückungsreaktanz an einer oder einer weiteren Zwischenisolation erlaubt es, eine optimale vertikale Strahlungsverteilung für den Tag auf eine andere optimale für die Nacht umzuschalten (Grafik 2).

 


Bild 2. 171,5 m hoher Sendemast des Bayerischen Rundfunks in Ismaning mit 2 Zwischenisolatoren (im Vordergrund sind die KW-Antennen zu sehen).

Grafik 2a. Mittelwellen-Rundstrahler für ehemals 1602kHz des Bayerischen Rundfunks in Ismaning (zweifach isoliert unterteilter Strahlermast, 600kW). Links: geknickte Stromverteilung (oben) zur Unterdrückung der Steilstrahlung (unten) im Nachtbetrieb; rechts: teilweise unterdrückte Stromverteilung (oben) zur Erzeugung maximaler Horizontalstrahlung (unten) im Tagesbetrieb.
 

 

Grafik 2b. Schema der drei voneinander isolierten Teilstücke des selbst strahlenden Rohrmastes des Bayerischen Rundfunks in Ismaning. Gesamthöhe des Mastes 171,5 m; Isolatoren in 56 m und 117 m Höhe. In der Realität wird der Innenleiter durch die Leiter gebildet, die zum Besteigen des Mastes notwendig ist.

Die Leistungsgrenze ist vorwiegend durch die herstellbare Spannungsfestigkeit der Zwischenisolation bestimmt und dürfte bei etwa 1 MW liegen. Als Beispiel zeigt Bild 2 den zweifach isoliert unterteilten Mast für Doppelspeisung des Mittelwellen-Rundstrahlers des Bayerischen Rundfunks in Ismaning. Deutlich sind die Positionen der beiden Zwischenisolatoren zu sehen. Die Speisung der Mastteile mit Sendeenergie erfolgte über ein 1000-kW-Koaxialkabel im Mastinneren.
Geerdete Maste mit Überwurfreuse

Dieses Verfahren ist gut möglich bei allen Masthöhen über einer ViertelweIlenlänge. Bringt man in einer Höhe von einer Viertelwellenlänge an dem geerdeten Mast oder Turm eine mit ihm dort oben verbundene Überwurfreuse an, so bildet sie mit dem Mast (als Innenleiter) eine Koaxialleitung, die am unteren Ende eine hohe Reaktanz gegen den Mastfuß darstellt. Wird diese Reuse unten eingespeist, so wirkt sie als Strahler, der sich weiter oben als Mast fortsetzt, während der Mastfuß praktisch stromlos bleibt. Die Zugisolatoren zum Verspannen der Reuse gegen den Boden sind besonders bei nicht abgespannten Türmen wesentlich einfacher und billiger als eine Mastfußisolation, die vor allem noch die mechanischen Kräfte bei Seitenwind aufnehmen muss und daher sehr umfangreich wird. Im übrigen sind die Strahlungseigenschaften die gleichen wie die eines fußgespeisten selbststrahlenden Mastes. Antennen dieser Art werden bis zu einer Leistung von 2 MW gebaut (Bild 3).

Horizontale Dipolanordnungen

Der Versuch, horizontale Polarisation für Mittelwellenversorgung anzuwenden, wurde oft erwogen, aber mit wesentlicher Leistung nur in der Schweiz unternommen. Da eine Horizontalstrahlung bei horizontaler Polarisation nicht existiert, entfällt die Bodenwelle und damit die Tagesversorgung, solange der Sonnenstand die absorbierende D-Schicht existieren lässt. Der angestrebte Vorteil, bei Nacht durch Entfallen der Interferenz zwischen Boden- und Raumwelle auch die Schwundzone zu beseitigen, gelingt nicht ganz, da Mehrfachreflexionen an E- und F-Schicht wieder einen gewissen Schwund erzeugen. Das hängt mit den erforderlichen steilen Abstrahlwinkeln zusammen, wie sie für die Versorgung des umgebenden Landes notwendig sind. Zusätzliche Reflexionen an Hügeln und Bergen sind mit der die Ionosphäre treffenden direkten Strahlung nicht mehr kohärent und damit ebenfalls ein Anlass zu Schwund.


Bild 3. Einer von 3 geerdeten und je 290 m hohen Masten mit Überwurfreuse des Langwellensenders von RTL in Beidweiler/Luxemburg; am Erdboden um den Mastfuß die Verankerungen der Reusendrähte, wo auch die Einspeisung der Sendeenergie erfolgt.
Auf einer horizontalen Ebene angeordnete Strahlergruppen

Bild 4. Die frühere MW-Richtantenne der "Voice of America" in Ismaning bei München bestand aus 4 je 120 m hohen Masten. Gesendet wurde auf 1197 kHz mit 300 kW in Richtung Osteuropa und Balkanländer (Vorzugsrichtungen 60, 115 und 240 Grad, oder Rundstrahlung über einen Mast).
Solche Gruppen bestehen meist aus zwei bis acht gleichen Einzelstrahlern in Linien-, Rechteck-, Kreis- oder Parallelogrammanordnung. Der Zweck ist, entweder einen großen Richtungsbereich nicht zu versorgen, z. B. wenn die Sendestation an einer Meeresküste steht oder wenn die Strahlung in der Richtung von Gleichkanalbenutzern und deren Versorgungsgebiet unterdrückt werden soll, oder um kleine entfernte Versorgungsgebiete zu erreichen (z.B. für Fremdsprachenprogramme der Auslandsdienste; Bild 4).
Hierbei ist es auch möglich, durch Veränderung der Phasen der Speiseströme der beteiligten Maste das Horizontaldiagramm schaltbar zu verändern und damit das Versorgungsgebiet, falls Programmforderungen dies bedingen. Ein zentrales Antennenhaus mit den Einrichtungen zur Leistungsverteilung und Phasenregelung und eine Anpassungseinrichtung für jeden Strahler am Mastfuß machen diese Systeme verhältnismäßig teuer, und es ist fast unmöglich, bei einem vielleicht einmal erforderlichen Frequenzwechsel die Anlage ohne Versetzung der Maste weiter zu benutzen. Trägerleistungen von 2 MW sind ohne weiteres möglich.

Grafik 3 zeigt die horizontale Strahlungsverteilung des 1000-kW-Mittelwellen-Richtstrahlers des ägyptischen Staatsrundfunks in Abis bei Alexandria. Der Hauptzipfel versorgt die südliche Mittelmeerküste, der etwas kleinere breite Nebenzipfel das östliche Gebiet vom Irak bis Saudi-Arabien.


Grafik 3. Horizontalstrahlungsdiagramm des Mittelwellen-Richtstrahlers (1000 kW) des ägyptischen Staatsrundfunks in Abis bei Alexandria; vier Maste mit gleichem Strom und verschiedener Phase (rechts oben dargestellt)
  
Kurzwellenantennen
Das Anwendungsgebiet der Kurzwellen ist vorwiegend die Versorgung großer Entfernungen, seltener - vor allem jedoch in tropischen Gebieten - die Landesversorgung. Die Übertragung erfolgt ausschließlich als an der Ionosphäre reflektierte Raumwelle. Infolge des Selektivschwundes (Auslöschung von Seitenbandteilen) ist eine gute Qualität des empfangenen Programms niemals zu erreichen, wenn nicht sehr teure und aufwendige Systeme mit Unterteilung des Seitenbandes benutzt werden. Mehrfachempfang (Diversity) mit mehreren parallelen Empfängern beseitigen den Selektivschwund nicht.

Die Problematik bei der Kurzwellenübertragung ist die richtige, von Sonnenstand, Sonnenfleckenzahl, Jahreszeit und anderen Faktoren abhängige Wahl der Frequenz, des vertikalen Abstrahlwinkels und der notwendigen Strahlungsstärke. Rundstrahler sind bei den heutigen Sendeleistungen von 500 kW nur für Reichweiten bis 2000 km gut brauchbar, je nach Höhe des Störgeräusches im Versorgungsgebiet.

Für die regelmäßige Versorgung eines Gebietes muss zumindest die Betriebsfrequenz mehrmals innerhalb von 24 Stunden gewechselt werden, um innerhalb des oft schmalen Bereiches zwischen der maximalen, gerade noch reflektierten Frequenz und der minimalen, gerade noch nicht zu stark in der D-Schicht absorbierten Frequenz zu bleiben.

Um die Anzahl der für eine Sendestation erforderlichen Antennen klein zu halten, wurde angestrebt, dass die Antenne in einem möglichst breiten Frequenzband betriebsfähig ist und ihre Strahlrichtung durch elektrisches Schielen oder mechanisches Drehen einen möglichst großen Azimutbereich überstreichen kann.

Parallele horizontale Dipole oder Dipolgruppen
Diese meistens verwendete Antennenform ermöglicht, entsprechend der Anzahl und Anordnung der Dipole (Grafik 4), praktisch jede gewünschte Strahlungsverteilung. Abgestimmte Reflektoren aus gleichartigen Dipolen wie der Strahler erlauben durch Vertauschung der Einspeisung eine Richtungsumkehr, sie sind aber in der Dämpfung der Rückstrahlung verhältnismäßig schmalbandig. Durch unabgestimmte Netzreflektoren werden auch hinsichtlich der Bandbreite wesentliche Verbesserungen erzielt, und zwei Strahler zu beiden Seiten des gemeinsamen Netzreflektors können gleichzeitig betrieben werden ohne störende Verkopplung der beiden Sender. Koppeldämpfungen von 40 dB sind mit genügend dichten Netzen erreichbar. Die Veränderung der Strahlrichtung durch elektrisches horizontales Schielen konnte bei Anordnungen mit vier Halbwellendipolen (statt mit zwei Ganzwellendipolen nebeneinander) von ±12° auf ±35° gesteigert werden; es kann auch eine Verdreifachung der Strahlbreite bei unveränderter Strahlrichtung erzielt werden. Die dazu erforderliche Veränderung der Speisestromphase wird durch einschaltbare Umwege oder Motor getriebene Posaunenleitungen stufenweise oder kontinuierlich bewirkt. Geschirmte Posaunenleitungen werden bis 250 kW Durchgangsleistung, geeignet für 500-kW-Vorhangantennen hergestellt.
Grafik 4: Abhängigkeit des Abstrahlwinkels von der Anordnung der Dipole bei KW-Antennen. Während einfache Dipole als steil strahlende Antennen für die Nahversorgung meist in den unteren KW-Bändern dienen (z.B. Tropenbänder, 49m-Band), dienen vielfach aufgestockte Dipolanordnungen zur Fernversorgung vorzugsweise in den höheren KW-Bändern, da hierbei die Abstrahlung sehr flach erfolgt (siehe dazu auch Grafiken 6, 11, 12 weiter unten).

Eine vertikale Schwenkung der Strahlungskeule ist nur elektrisch (nicht mechanisch) möglich, und zwar durch Abschalten oder Umpolen von übereinanderliegenden Dipolen oder Dipolgruppen gegeneinander. Abstrahlwinkel können damit z. B. von 9° auf 200° umgeschaltet werden. Ein kontinuierliches vertikales Schielen ist mit übereinanderliegenden Strahlern nicht möglich. Hierzu sind in Strahlrichtung hintereinander liegende Strahler erforderlich, die phasenverschoben. gespeist werden (Musa-Prinzip). Dies wird jedoch wegen des damit verbundenen großen Geländebedarfes kaum ausgeführt.

Dipol-Gruppenantennen werden bis zu einer Leistung von 1 MW gebaut. Der erreichbare Frequenzumfang ist durch die maximal dem Sender zumutbare Fehlanpassung (1,5 bis 2) und die Veränderung der Strahlungsverteilung hinsichtlich Strahlbreite und Abstrahlwinkel begrenzt. Hinsichtlich der Fehlanpassung werden vier benachbarte Rundfunk-Frequenzbänder überdeckt, hinsichtlich der Strahlungsverteilung ist man sehr unterschiedlicher Auffassung.

In einem Extremfall wünscht man, ein Empfangsgebiet möglichst gleichmäßig zu versorgen, aber keine benachbarten Gebiete, um die Sendenergie optimal auszunutzen, womit die Antenne für höchstens zwei benachbarte Frequenzbänder geeignet ist. Im anderen Extremfall richtet man sich nach der (bei der höchsten Frequenz auftretenden) geringsten Breite der Strahlungskeule, die gerade noch das Versorgungsgebiet deckt, und nimmt eine Verbreitung und damit einen Strahlungsverlust, verbunden mit einer Versorgung uninteressanter benachbarter Gebiete, in Kauf, oder man verzichtet bei hohen Frequenzen und damit zu gewissen Uhrzeiten, in denen sie erforderlich sind, auf eine Versorgung des gesamten vorgesehenen Empfangsgebietes.

Der heute meistens verwendete Kompromiss führte zu Antennen für drei benachbarte Kurzwellen- Rundfunkfrequenzbänder, jedoch geht in einigen Ländern die Entwicklung auch in Richtung schmalbandigerer Antennen, dafür aber besserer Ausnutzung durch gespeiste statt strahlungsgekoppelte Reflektoren oder Reflektornetze. Die hierfür erforderlich größere Platzbedarf erschwert meist die Anwendung in dicht besiedelten Gebieten mit hohen Bodenpreisen.

Ordnet man Dipole in gleicher Höhe nebeneinander und hintereinander an (Tropenantenne), so wird die Strahlung nach oben gebündelt und erlaubt in Äquatornähe auch nachts die Versorgung des den Sender umgebenden Landes nach der Reflexion an der dort genügend intensiven Ionosphäre (Beispiel: Staatsrundfunk Sierra Leone Grafik 5 und 6).

Grafik 5. Horizontale Strahlungsverteilung unter 60° Erhebungswinkel der Kurzwellen-Tropenantenne des Staatsrundfunks Sierra Leone in Waterloo (250 kW)
Grafik 6. Vertikale Strahlungsverteilung in der Hauptstrahlrichtung (ausgezogen) und senkrecht dazu (gestrichelt) der Kurzwellen-Tropenantenne des Staatsrundfunks Sierra Leone in Waterloo
Bild 5. Kurzwellen- Vorhangantennensystem (500 kW) mit gemeinsamen Netzreflektor im Sendezentrum Moosbrunn des ORF. Vor dem Reflektornetz sind Dipole unterschiedlicher Länge für die Kurzwellenbänder 49m bis 13m aufgehängt.
Abgewinkelte horizontale Dipole oder Dipolgruppen

Antennen dieser Art sind näherungsweise Rundstrahler mit horizontaler Polarisation. Wählt man den Winkel zwischen Dipolen 90° (Quadrantantenne), so müssen die Längen beider Arme etwa eine halbe Wellenlänge betragen; wählt man den Winkel geringer (z.B. 60°), so müssen die Arme kürzer, etwa eine Viertelwellenlänge sein, um angenäherte Rundstrahlung zu erreichen. Die Abweichung von der Rundstrahlung macht etwa ±10% in der Feldstärke aus. Antennen dieser Art sind meistens für zwei benachbarte Kurzwellen-Rundfunkfrequenzbänder und eine Leistung bis 0,5 MW geeignet. Bild 6 zeigt eine Quadrantantenne und Grafik 7 und 8 das zugehörige Horizontal- bzw. Vertikal-Strahlungsdiagramm.

Vertikale magnetische Dipole und Dipolgruppen

Vertikale magnetische Dipole lassen sich gut als senkrechte Flächen aus horizontalen Drähten (eine halbe Wellenlänge hoch und breit) herstellen, mit einem senkrechten, an beiden Enden kurzgeschlossenen, eine halbe Wellenlänge langen Schlitz in deren Mitte, begrenzt durch zwei parallele vertikale Drähte, an denen das Netz aus den horizontalen Drähten endet. In dieser Anordnung ist die elektrische Feldstärke horizontal polarisiert. Ansonsten sind die gleichen Kombinationen und Veränderungen der Strahlungseigenschaften wie bei horizontalen Dipolgruppen möglich. Ein Vorteil ist der geringere Platzbedarf, was aber durch größere Höhe erkauft werden muss. Ein anderer Vorteil ist das Entfallen der meisten Isolatoren für hohe Hochfrequenzspannungen. Drei benachbarte Kurzwellenrundfunkbänder und Leistungen von 200 kW wurden erreicht, höhere Leistungen sind sicher möglich.


Grafik 7. Kurzwellen-Quadrantantenne; horizontale Strahlungsverteilung unter 43° Erhebungswinkel

Grafik 8. Kurzwellen-Quadrantantenne, 0,4 λ über Erde; vertikale Strahlungsverteilung
Bild 6. Kurzwellen- Quadrantantenne im Sendezentrum Moosbrunn des ORF (500 kW). Zwischen den beiden Antennensystemen der Exponentialtransformator 50 auf 150 Ohm als symmetrische Bandleitung mit Serienkapazitäten am Ende zur Kompensation
Horizontale Antennen mit fortschreitenden Wellen
Aus Gründen des schlechten Wirkungsgrades kommen eindrähtige gegen Erde erregte Langdrahtantennen kaum in Frage. Häufiger sind horizontale V-Antennen, die im Gegensatz zu abgewinkelten Dipolen aber an den beiden Enden gegen Erde mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sind. Ein Ersatz der Erdung durch offene Leitungsstücke von einer Viertelwellenlänge ist für eine begrenzte Bandbreite möglich.

Die meistens verwendeten Anordnungen sind Rhombusantennen, die an dem einen spitzen Ende eingespeist werden und am gegenüberliegenden, in Strahlrichtung zeigenden Ende mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sind. Hinsichtlich der Fehlanpassung überstreicht eine Rhombusantenne ohne weiteres den ganzen Kurzwellenbereich, aber hinsichtlich der Aufspaltung der Strahlungskeule und der Abnahme von Strahlbreite und Abstrahlwinkel mit zunehmender Frequenz ist ein maximaler Frequenzumfang von 1:2 schlecht überschreitbar. Der Wirkungsgrad beiträgt etwa 50%, da ungefähr die halbe Leistung im Abschlusswiderstand in Wärme umgesetzt werden muss, um ihre Reflexion und die damit verbundene zusätzliche unerwünschte Rückwärtsstrahlung zu verhindern. Die horizontale und vertikale Strahlungsverteilung einer Rhombusantenne bei einer niedrigen Betriebsfrequenz sind in Grafik 9 und 10 dargestellt.

Rhombusantennen werden vorwiegend für die Versorgung kleiner entfernter Gebiete verwendet, meist jedoch für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zur Übertragung von Sendeprogrammen von weit entfernten Studioanlagen auf Sender, für die keine Telefonleitung oder Richtfunkverbindung zur Verfügung steht. Diese Antennen werden für Sendeleistungen bis 0,5 MW gebaut. Da die Abschlusswiderstände somit bis 250 kW in Wärme umsetzen müssen, werden sie meist als ParalIeldrahtleitungen aus Reusen mit rostfreiem Stahldraht mittlerer Permeabilität (50) ausgeführt.
Grafik 9. Kurzwellen-Rhombusantenne, Seitenlänge 4 λ, spitzer Winkel zwischen den Seiten 40°, 0,8 λ über Erde; horizontale Strahlungsverteilung unter 21° Erhebungswinkel Grafik 10. Vertikale Strahlungsverteilung der Kurzwellen-Rhombusantenne nach Grafik 9
Dicke Vertikalstrahler in abgestufter Kegelform
Diese Antennenart, meist als Kegelreuse bezeichnet, ist ein vertikal polarisierter Rundstrahler. Sie besteht aus einer Drahtreuse, die unten vom Speisepunkt aus schnell kegelförmig auseinander geht und dann weiter nach oben langsam, manchmal nochmals abgestuft, sich an der Spitze wieder zu einem Punkt vereinigt (Bild 7). Die Strahlungsverteilung ist Frequenz abhängig (Grafik 11) und verschwindet senkrecht nach oben. Die Antenne ist daher - im Gegensatz zu einer Tropenantenne - nicht für eine Versorgung des unmittelbaren Nahgebietes (0 bis 200 km) geeignet, sondern am besten für Entfernungen von 500 bis 1500 km. Der Wirkungsgrad ist mäßig, da die in den Boden hinein gebeugte Energie (Bodenwelle) infolge der hohen Absorption bei Kurzwellen nur eine Reichweite von 5 bis 50 km (je nach Frequenz) hat und damit verloren ist - ein Nachteil der vertikalen Polarisation.

Bild
7. Kurzwellen-Kegelreuse von Radio Rwanda bei Kigali (50 kW)
Die Fehlanpassung lässt sich über den ganzen Kurzwellenbereich unter 2 halten. In Sonderfällen werden Kegelreusen auch für Mittelwellen gebaut.

Die anwendbaren Leistungen gehen bis 250 kW, sie liegen meist jedoch eine Größenordnung niedriger. Die Kegelreuse stellt eine einfache breitbandige Kurzwellenantenne dar, die wenig Platz benötigt. Ausführungen mit Vertikalgitterreflektor flach oder im Winkel bewirken eine Richtstrahlung, schränken aber gleichzeitig die Bandbreite ein, wenn sie wirksam bleiben sollen.


Grafik 11. Vertikale Strahlungsverteilung einer Kurzwellen-Kegelreuse für den gesamten Kurzwellenbereich; I = hohe Betriebsfrequenz, II = mittlere Betriebsfrequenz, III = niedrige Betriebsfrequenz
Auf einer Linie systematisch angeordnete Strahlergruppen
Hierzu gehören alle Arten von logarithmisch periodischen Antennen. Sieht man von den Spiralkegelformen ab, die aus Isolationsgründen für hohe Sendeleistungen kaum brauchbar sind, so bleiben gerade oder abgewinkelte Dipole als praktische Elemente übrig.

Der größte Dipol ist eine halbe Wellenlänge lang für die niedrigste Betriebsfrequenz, und jeder folgende ist in seiner Länge und seinem Abstand um einen festen Faktor kleiner. Der kleinste Dipol muss kleiner als eine halbe Wellenlänge der höchsten Betriebsfrequenz sein. Aufeinanderfolgende Dipole sind nahezu gegenphasig gespeist, entweder in der Mitte an einer symmetrischen Speiseleitung jeweils umgepolt oder durch mäanderförmige Verbindung der Enden. Die Speisung erfolgt am kürzesten Dipol, und derjenige DipoI, der bei der Betriebsfrequenz eine halbe Wellenlänge lang ist bildet mit dem dahinterliegenden längeren und ein oder zwei davorliegen den kürzeren Dipolen ein Yagi-System (Reflektor, Strahler, Direktoren). Grafik 12 zeigt die Strahlungsdiagramme eine aus zwei Spalten bestehenden vertikal polarisierten und um ±20° horizontal schielbaren logarithmisch periodische Antenne.


Grafik 12. Logarithmisch periodische Vertikal-Dipol-Antenne der Deutschen Bundespost in Jülich (100 kW, 2 Wände). Links: vertikale Strahlungsvertellung, rechts: horizontale Strahlungsverteilung geradeaus (ausgezogen) und mit +20° Schielung (gestrichelt bzw. punktiert)
Logarithmisch periodische Antenne (LP-Antennen) können zur Formung einer bestimmten Strahlungsverteilung in mehreren Ebenen nebeneinander und übereinander angeordnet werden. Die Strahlerelemente (Dipole) können waagerecht oder senkrecht polarisiert sein, wobei letzteres mit Verlusten verbunden ist. Leistungen bis 600kW können noch einigermaßen betriebssicher verarbeitet werden. Fehlanpassungen im ganzen Kurzwellenbereich, für den die Antenne ausgelegt werden kann, liegen bei 1,5 bis 1,8. Drehbare LP-Antennen sind für Leistungen bis 500kW in Betrieb. Eine mechanische Vertikalschwenkung erhöht für die Resonanzfrequenzen der mechanisch tiefer liegenden Strahler deren Abstrahlwinkel.

Ist durch die Kapazität der nicht in Resonanz befindlichen Elemente der Phasenverlauf des Stroms auf der die Dipole verbindenden Speiseleitung ungünstig beeinflusst, so hat dies Rückwirkungen auf das Strahlungsdiagramm bei bestimmten Frequenzen. Strahlbreiteveränderungen und Nebenzipfel der Strahlungskeule mit dem entsprechenden Verlust sind oft die Folge. In Bild 8 ist eine LP-Antenne mit vertikalen Dipolen und Speisung in halber Höhe dargestellt. Die beiden gleichartigen Spalten können zur horizontalen Schielung phasenverschoben gespeist werden, was durch eine offene Ringleitung am Speisepunkt bewirkt wird.

LP-Antennen aus nach unten abgewinkelten, versetzt gekreuzten Dipolen auf einer senkrechten Achse als Rundstrahler werden selten verwendet, da die für eine interessante Reichweite notwendige hohe Sendeleistung von 1 MW isolationsmäßig kaum zu beherrschbar ist.

(Beispiele: Radio Australia, Darwin - vertikal polarisiert; Deutsche Bundespost, Wertachtal - horizontal polarisiert; Schwedische Post, Hörby - horizontal polarisiert, drehbar, schwenkbar; Deutsche Welle, Sines/Portugal - vertikal polarisiert)


Bild 8. Logarithmisch periodische Vertikal-Dipol-Antenne der Deutschen Welle in Sines/Portugal (250 kW, 2 Wände). Im Hintergrund zwischen den beiden Speisepunkten der Doppelleitungsring mit Schleifkontakten als Phasenregler
 
Zusammenfassung
Langwellenantennen müssen Leistungen von 2 bis 3 MW abstrahlen; hohe selbst strahlende Maste werden bevorzugt werden.

Als Mittelwellenantennen mit Leistungen von 2 MW stellen geerdete Maste mit Überwurfreusen die wirtschaftlichste Lösung dar. Antennen mit umschaltbarem Vertikaldiagramm für Tag- und Nachtbetrieb aus isoliert unterteilten Masten für Leistungen bis 1 MW werden ebenfalls verwendet, auch als Schwerpunktsender eines Landes.

Im Kurzwellenbereich sind Rundstrahler aus abgewinkelten horizontalen DipoIen (auch als LP-System) und Richtstrahler aus parallelen horizontalen Dipolgruppen mit Netzreflektor sowie horizontal polarisierte LP-Systeme die überwiegend verwendeten Bauformen auf dem Gebiet hoher Leistungen.

letzte Änderung: 24.04.2012

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