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Mobilfunkantennen – Grundsätzliche Funktionsweise und verschiedene Varianten

Antennen sind unverzichtbare Komponenten für Mobilfunkgeräte und -netze. Auch wenn sie in Smartphones von außen kaum noch zu erkennen sind, haben sie entscheidenden Einfluss auf die Performance der mobilen Datenübertragung. Je nach Anwendungsbereich, ob im Endgerät oder an der Basisstation des Mobilfunknetzes, kommen unterschiedliche Antennentypen zum Einsatz. Wie eine Antenne prinzipiell funktioniert, welche verschiedenen Varianten […]

Antennen sind unverzichtbare Komponenten für Mobilfunkgeräte und -netze. Auch wenn sie in Smartphones von außen kaum noch zu erkennen sind, haben sie entscheidenden Einfluss auf die Performance der mobilen Datenübertragung. Je nach Anwendungsbereich, ob im Endgerät oder an der Basisstation des Mobilfunknetzes, kommen unterschiedliche Antennentypen zum Einsatz. Wie eine Antenne prinzipiell funktioniert, welche verschiedenen Varianten es gibt und für was sie verwendet werden, erklärt Ihnen folgender Beitrag. 

Das Funktionsprinzip einer Antenne 

Aufgabe einer Antenne ist es, elektromagnetische Wellen in den Freiraum abzustrahlen oder aus dem Freiraum zu empfangen. Die Antenne ist für die Wandlung zwischen Freiraumwellen und leitungsgebundenen elektromagnetischen Wellen zuständig. Sie bildet quasi die Schnittstelle zwischen Sender beziehungsweise Empfänger und dem Übertragungsmedium freier Raum. Aus elektrotechnischer Sicht handelt es sich bei einer Antenne um einen Schwingkreis mit kapazitivem (Kondensator) und induktivem Anteil (Spule), der eine bestimmte Resonanzfrequenz aufweist. Im Schwingkreis wandert die Energie zwischen Spule und Kondensator hin und her und erzeugt abwechselnd ein elektrisches und magnetisches Feld. Um eine Antenne zu realisieren, wird der Schwingkreis auf der einen Seite mit leitungsgebundener elektrischer Energie versorgt. Auf der anderen Seite ist der Schwingkreis geöffnet und strahlt elektromagnetische Energie in den Raum ab oder nimmt sie aus dem Raum auf. Mit diesem Funktionsprinzip lässt sich schon mit zwei Drähten eine einfache Dipolantenne realisieren. 

Einteilung der Antennentypen nach Abstrahlcharakteristik 

Abhängig von Antennenparametern wie Polarisation, Antennenimpedanz, Wirkungsgrad, Antennengewinn, Richtcharakteristik oder Bandbreite existieren unzählige verschiedene Antennentypen. Ein wichtiges Einteilungskriterium der Antennentypen ist die Abstrahlcharakteristik. Ausgehend von einem idealisierten Kugelstrahler, auch Isotropstrahler oder Punktstrahler genannt, der in alle Raumrichtungen gleichmäßig ausstrahlt, unterscheidet man omnidirektionale Strahler und gerichtete Strahler. Der Rundstrahler gehört zu den omnidirektionalen Strahlern und sendet oder empfängt elektromagnetische Wellen in horizontaler Richtung kreisförmig. Ein typischer Rundstrahler ist die Stabantenne. Sie besitzt eine Länge von Lambda/4 (ein Viertel der Wellenlänge) und strahlt oder empfängt im 90-Grad-Winkel zur Antennenachse horizontal gleichmäßig mit 360 Grad. 

Richtantennen erzielen bezogen auf den idealen Isotropstrahler in einer vorgegebenen Raumrichtung einen Antennengewinn. Zu den Antennen mit Richtwirkung zählen Dipolantennen, Parabolantennen, Yagi-Antennen oder Sektionalantennen. Die Richtwirkung kann je nach Antennentyp stark unterschiedlich sein. Während Sektionalantennen auf einen Abstrahlradius von beispielsweise 120 Grad optimiert sind, erzielt eine Richtantenne oder Parabolantenne bei kleinerem Winkel eine wesentlich höhere Richtwirkung und muss exakt auf eine Gegenstelle ausgerichtet werden. 

Verwendung der verschiedenen Antennentypen im Mobilfunk 

Je nach Einsatzbereich unterscheiden sich die Mobilfunkantennen in ihrer Bauweise und Antennencharakteristik deutlich. In Endgeräten wie Smartphones kommen üblicherweise omnidirektionale Antennen zum Einsatz. Denn die Geräte sollen unabhängig von ihrer Ausrichtung zuverlässig aus allen Raumrichtungen mit Funksignalen versorgt werden. Die Basisstationen eines Mobilfunknetzes hingegen sind mit gerichteten Sektionalantennen ausgestattet. In der Regel sind am Funkmast drei Antennen mit 120 Grad Abstrahlrichtung sektional angeordnet, die die Funkzelle gemeinsam mit 360 Grad versorgen. Die horizontale Abstrahlrichtung ist leicht nach unten geneigt, um eine bessere Abgrenzung zu benachbarten Funkzellen zu erreichen. 

Geht es um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen der Basisstationen mit dem Kernnetz des Mobilfunkproviders, können, falls die kabelgebundene Versorgung nicht möglich oder zu aufwendig ist, Richtantennen zum Einsatz kommen. Über diese Richtfunkstrecken lassen sich Entfernungen von vielen Kilometern überbrücken.