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Dieser Beitrag
ist die (von mir ergänzte und aktuelleren 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 |
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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 | |||||
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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). |
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Mittelwellenantennen |
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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. |
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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 |
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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. | |||||
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Auf einer horizontalen Ebene angeordnete Strahlergruppen | |||||
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Kurzwellenantennen |
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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. |
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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. | |||||
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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. |
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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. |
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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. | |||||
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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. |
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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) |
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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. | |||||
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Zusammenfassung |
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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: 24.05.2018 |
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