Die Erfindung des Wandlers zwischen den Wellen

Der Nachrichtentechniker Prof. Dr.-Ing. Brückmann von der Bergischen Universität – © UniService Third Mission

Um welches Gerät handelt es sich bei der Yagi-Uda-Antenne und wer hat es entwickelt?

Dieter Brückmann: „Um elektromagnetische Wellen über Funk zu übertragen, benötigt man sowohl auf der Empfangsseite als auch auf der Sendeseite eine Antenne. Antennen sind Wandler zwischen einer leitungsgeführten Welle und einer Freiraumwelle. Antennen strahlen also entweder elektromagnetische Wellen ab, die von einer Sendeeinrichtung erzeugt wurden, oder empfangen elektromagnetische Wellen und geben diese an eine Empfangseinrichtung weiter. Die einfachste Form einer Antenne ist ein Dipol. Eine Dipolantenne besteht typischerweise aus zwei leitfähigen Metalldrähten oder Stäben. Der vom Sender kommende Ansteuerstrom wird zwischen die beiden Hälften der Antenne angelegt. Auf der Empfangsseite wird entsprechend das Empfangssignal an der Antenne abgegriffen und an den Empfänger weitergeleitet.    

Ein möglicher Nachteil einer Dipolantenne besteht darin, dass die Energie der elektromagnetischen Welle in allen Richtungen um die Antenne herum gleichstark abgestrahlt wird. In vielen Fällen wäre es aber günstiger der Sendeantenne eine Richtwirkung zu geben, so dass die Energie gebündelt abgestrahlt wird. Auch in Empfangsrichtung kann durch die Antennenanordnung eine Fokussierung und dadurch eine Signalverstärkung gegenüber einer Dipolantenne erzeugt werden.

© Bergische Universität

Die Yagi-Uda-Antenne ist ein Antennensystem, dass eine solche Richtwirkung erzeugt, so dass gegenüber Dipolantennen deutlich größere Reichweiten bei der Funkübertragung möglich werden. Diese Art von Antenne wurde ab 1924 von den Japanern Hidetsugu Yagi und Shintaro Uda entwickelt und das Verfahren wurde auch in japanischen Fachzeitschriften beschrieben. Außerhalb von Japan erregten diese Berichte allerdings zunächst wenig Aufmerksamkeit. 1928 veröffentlichte Yagi in den USA daher auch einen Artikel in englischer Sprache, der weltweit in der Fachwelt auf sehr großes Interesse stieß. Dies erklärt auch warum im deutschen Sprachraum dieser Antennentyp meistens nur als Yagi-Antenne bezeichnet wird. Während das japanische Patent beide Erfinder gleichberechtigt aufführt, wird auch in den Grundpatenten für andere Länder nur Yagi als Erfinder genannt.“ 

1930 wurde die Antenne erstmalig in Europa auf der Weltausstellung in Belgien gezeigt. Welche Reichweite hatte sie denn?

Dieter Brückmann: „Das System mit der Yagi-Uda-Antenne, dass auf der Weltausstellung 1930 gezeigt wurde, arbeitete mit einer Wellenlänge von 45 cm. Dies entspricht einer Frequenz von 666,7 MHz. Das vorgestellte System ermöglichte eine Funkübertragung über eine Strecke von bis zu 20 Kilometern.

Wie funktioniert denn eine Antenne überhaupt?

Dieter Brückmann: „Eine Antenne dient zur Abstrahlung oder dem Empfang einer elektromagnetischen Welle und stellt die Schnittstelle zwischen dem Sender oder Empfänger und dem freien Raum als Übertragungsmedium dar. Sie besteht in ihrer Grundstruktur aus leitfähigen Elementen, wie zum Beispiel einem oder mehrerer Metallstäbe, die über ein Antennenkabel mit der drahtgebundenen Sende- oder Empfangseinrichtung verbunden sind. Die einfachste Form einer Antenne ist ein Dipol der aus zwei Drähten besteht. Der Dipol kann auch als offener Schwingkreis betrachtet werden. Durch die Speisung des Dipols mit einem sich ändernden elektrischen Signal entsteht ein elektromagnetisches Feld, dass in den Raum abgestrahlt wird. Entsprechend wird auf der Empfangsseite durch das empfangene Funksignal ein Strom in den Dipol induziert. Hierbei kommt das Prinzip der Resonanz zum Einsatz. 

Eine Yagi-Gruppenantenne für Erde-Mond-Erde-Verbindungen – © CC BY-SA 3.0

Um eine effiziente Übertragung zu erreichen, wird die Länge der Antenne auf die Wellenlänge des Signals abgestimmt. Durch Variationen im Antennendesign erfolgt die Anpassung auf unterschiedliche Frequenzbereiche und Anwendungen. Hierbei werden insbesondere die Parameter Größe, Form und Konfiguration angepasst. Durch einen oder mehrere Direktoren und gegebenenfalls auch Reflektoren erhält die Antenne zum Beispiel eine Richtwirkung. Mit dieser Richtwirkung ist auch ein Antennengewinn verbunden, der einer Verstärkung des Signals entspricht. Dieses Prinzip wird bei der Yagi-Uda-Antenne genutzt.“

Im Zweiten Weltkrieg wurde die Yagi-Antenne oft eingesetzt. Zu welchem Zweck?

Dieter Brückmann: „Im zweiten Weltkrieg wurde die Yagi-Uda-Antenne häufig für Radaranwendungen eingesetzt. Das Radar stellte in dieser Epoche eine Neuerfindung dar, und änderte im zweiten Weltkrieg die militärische Strategie aller beteiligten Kriegsparteien elementar. Das Radar benutzt Funkwellen zur Detektion und Ortung von Flugzeugen, Schiffen und anderen Objekten. Dadurch wurde es zu einem sehr wichtigen Werkzeug für die Luftverteidigung, für die Seekriegsführung und auch für militärische Operationen am Boden. Hierbei kamen neben der klassischen Form der Yagi-Uda-Antenne auch Varianten mit Parabolspiegeln zum Einsatz. Auf Grund der Richtwirkung der Yagi-Uda-Antenne kann durch die Bestimmung des Drehwinkels auch die Richtung bestimmt werden, in der sich das detektierte Objekt befindet.“  

In den 1950er Jahren erkannte man den Nutzen der Yagi-Antenne dann auch für das Fernsehen, oder?

Dieter Brückmann: „Nachdem die Yagi-Antenne während des zweiten Weltkriegs insbesondere im militärischen Bereich genutzt wurde, verbreitete sich diese in Nordamerika und in Europa sehr schnell auch im Amateurfunkbereich. Gründe hierfür waren insbesondere die einfache Bauform, die auch zum Selbstbau geeignet ist, und der große Antennengewinn. Darüber hinaus kam dieser Antennentyp ab den 50er Jahren auch in kommerziellen Anwendungen wie dem Fernsehen immer häufiger zum Einsatz. Vor allem an den Rändern der Abdeckungsgebiete von Fernsehsendern wurde die Yagi-Antenne auf Grund des Antennengewinns, der durch ihre Richtwirkung entsteht, häufig genutzt. Durch den Einsatz einer Yagi-Antenne konnten viele Fernsehschauer im Osten Deutschlands auch das Westfernsehen empfangen, wenn sie ihre Yagi-Antenne in die entsprechende Richtung ausrichteten.“

Yagi-Antennen gibt es in unterschiedlichen Größen. Warum braucht denn ein Radio z. B. eine längere Antenne als ein WLAN-Gerät?

Dieter Brückmann: „Das Grundelement einer Yagi-Antenne ist ein Dipol, der für optimale Eigenschaften eine Länge von knapp einer halben Wellenlänge der zu empfangenden Funkwelle haben sollte. Die weiteren Elemente der Antenne, die Direktoren sollten etwas kürzer und die Reflektoren sollten etwas länger als der Dipol sein. Die Richtwirkung und der Antennengewinn werden durch die Gesamtlänge der Antenne bestimmt. Mit einer Yagi-Uda Antenne aus drei Elementen und einer Gesamtlänge von 0,3l lässt sich ein Antennengewinn von ca. 15 dBi erzielen, wobei der Öffnungswinkel der Antennenkeule weniger als 40^o beträgt. Noch leistungsfähigere Yagi-Antennen weisen bis zu 10 Stabelemente auf. 

Zwei Yagi-Uda-Hausantennen für den Fernsehempfang. Der Reflektor der oberen Yagi-Antenne ist als Gitter ausgeführt – © CC BY-SA 3.0

Typische UKW-Rundfunkwellen liegen im Frequenzbereich von 87-105 MHz. Hieraus ergibt sich eine Wellenlänge von ungefähr drei Metern. Die zugehörige Antenne sollte daher mindestens eine Länge von über einem Meter haben. WLAN-Geräte arbeiten dagegen in deutlich höheren Frequenzbändern im Bereich von 2,4 GHz oder sogar von 5 GHz. Daraus ergeben sich signifikant kürzere Wellenlängen von 6 bis 12 Zentimetern. Die optimalen Antennenlängen liegen daher für diese Anwendung im Bereich von nur wenigen Zentimetern.“

Stimmt es eigentlich, dass man eine Yagi-Antenne ohne weiteres mit Materialien aus dem Baumarkt bauen kann?

Dieter Brückmann: „Ein Vorteil der Yagi-Antenne liegt insbesondere in ihrem einfachen Aufbau und ihrer Robustheit. Bei Heimwerkern ist es seit langem bekannt, dass mit einfachen Metallstäben und wenigen Verbindungsmaterialien, die alle im Baumarkt erhältlich sind, eine robuste Yagi-Antenne aufgebaut werden kann. Während für den Bau einer Yagi-Antenne für den Fernsehempfang oder für Amateurfunkanwendungen einiges handwerkliches Geschick erforderlich ist, findet man in Fachzeitschriften und im Internet inzwischen sogar Bastelanleitungen für Styropor Yagi-Antennen für WLAN-Systeme. Diese lassen sich angeblich in nur einer halben Stunde aus Verpackungsresten und Elektroschrott zusammenstecken.“   

Mit dem Trend der drahtlosen Übertragung werden heute wieder mehr Antennen verkauft. Wo werden sie denn heute vorwiegend eingesetzt?

Dieter Brückmann: „Die Anzahl der Anwendungen, bei denen Funkübertragungssysteme zum Einsatz kommen, hat in den letzten Jahren sehr stark zugenommen, und wird auch in den nächsten Jahren noch weiterwachsen. Jedes dieser Funksysteme ist mit einer Antenne ausgestattet. Für die teilweise sehr unterschiedlichen Anforderungen und Anwendungen werden auch die unterschiedlichsten Antennensysteme benötigt, so dass es inzwischen eine Vielfalt von Grundtypen und Varianten gibt, um den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden.  

Bei WLAN-Systemen sind z.B. die Anforderungen hinsichtlich einer sehr hohen Datenrate in den letzten Jahren sehr stark gestiegen. Diese hohen Datenraten lassen sich insbesondere durch Mehrantennensystem und durch die MIMO-Technik erreichen. MIMO steht für Multiple Input / Multiple Output. Bei dieser Technik werden sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite Mehrfachantennen eingesetzt, zwischen denen parallele Datenströme übertragen werden. Auf diese Weise kann die maximale Datenrate vervielfacht werden. Durch eine aufwendige digitale Signalverarbeitung auf der Empfangsseite können die gegenseitigen Überlagerungen der parallelen Datenströme kompensiert werden.    

Darüber hinaus nimmt die Bedeutung von elektronisch steuerbaren Richtantennen immer mehr zu. Diese setzen sich aus einer Anzahl von Dipolen zusammen, deren Felder sich überlagern und dadurch eine Richtwirkung erzeugen. Zusätzlich kann der Phasenversatz zwischen den Antennensignalen elektronisch variiert werden, wodurch sich die Abstrahlrichtung der Antennenanordnung gezielt einstellen lässt. Es kommen inzwischen Antennenarrays mit über 1000 Dipolen zum Einsatz, mit denen die Abstrahlrichtung sogar in drei Dimensionen variiert werden kann. Anwendungen ergeben sich unter anderem bei Systemen gemäß der aktuellen und zukünftigen Mobilfunkstandards 4G bis 6G. Hierdurch kann die Teilnehmerdichte und auch die maximale Datenrate dieser Systeme weiter erhöht werden.“      

Uwe Blass

Prof. Dr.-Ing. Dieter Brückmann – © UniService Third Mission

Über Prof. Dr.-Ing Dieter Brückmann

Prof. Dr.-Ing Dieter Brückmann leitete das Fachgebiet Nachrichtentechnik, Bauelemente und Schaltungstechnik in der Fakultät für Elektrotechnik, Medientechnik und Informationstechnik der Bergischen Universität bis 2023.