Hallo, ich beschäftige mich zur Zeit beruflich mit Antennenmessungen
(EMV) im Bereich 30 MHz bis 1 GHz. Für die Ursachenforschung und
Entstörung ist es wichtig parasitäre Antennen zu erkennen. Aus diesem
Grund habe ich mich heute in das Thema der Rahmenantennen, welche in der
EMV durch stromdurchflossene Leiterschleifen parasitär gebildet wird,
eingelesen.
Leider konnte ich bisher nicht auf alle meine Fragen eine Antwort
finden, weil sich die meisten Erklärungen auf den Hertzschen Dipol und
nicht den magnetischen Dipol (Rahmenantenne) beziehen.
Nun zu meinen eigentlichen Fragen. Der Hertzsche Dipol ist ein
Schwingkreis (Spule und Kondensator) mit einem Kondensator, dessen
Elektroden auseinandergeklappt sind. Damit der Hertzsche Dipol
elektromagnetische Wellen aussendet, muss der Schwingkreis in Resonanz
betrieben werden.
Muss eine Rahmenantenne zum Aussenden elektromagnetischer Welle auch
einen Schwingkreis darstellen? Oder strahlt eine Rahmenantenne auch dann
ab, wenn sie nur von einem hochfrequenten Strom durchflossen wird und
entsprechend lang ist, die Rahmenantenne also nicht in Resonanz
betrieben wird?
Für den Fall, dass eine Rahmenantenne ein Schwingkreis sein muss, würde
mich interessieren wie man sich hierfür die Spule und den Kondensator
vorstellen darf. Diese Bauteile werden bei einer Leiterschleife ja nicht
extra eingebaut. Sind diese Bauteile aufbaubedingt bereits in der
Leiterschleife enthalten?
Dann würde mich noch interessieren wie es mit der Polarisation der
abgestrahlten Welle bei einer Rahmenantenne ausschaut. Der Hertzsche
Dipol strahlt ja immer in der Polarisation ab, in der seine
Kondensatorplatten ausgerichtet sind. Bei beispielsweise waagrecht
ausgerichteten Kondensatorplatten strahlt er auch nur in der waagrechten
Polarisation aus.
Aber wie schaut es mit der Rahmenantenne aus?
Nehmen wir folgendes Beispiel an: Die stromdurchflossene Leiterschleife
(Rahmenantenne) liegt waagrecht auf einem Tisch. In welcher Polarisation
wird dann eine elektromagnetische Welle abgestrahlt?
Ich würde spontan sagen in senkrechter Polarisation, weil die
magnetischen Feldlinien senkrecht aus der Leiterschleife austreten.
Vielen Dank schon einmal im Voraus für die Beantwortung meiner Fragen.
Gruß Thomas
Thomas schrieb:> Muss eine Rahmenantenne zum Aussenden elektromagnetischer Welle auch> einen Schwingkreis darstellen? Oder strahlt eine Rahmenantenne auch dann> ab, wenn sie nur von einem hochfrequenten Strom durchflossen wird und> entsprechend lang ist, die Rahmenantenne also nicht in Resonanz> betrieben wird?
Grundsätzlich strahlt jeder stromdurchflossene Leiter elektromagnetische
Wellen ab. Auch die Stromkabel in der Wand. Nur ist die Abstrahlung in
der Regel sehr mies. Rahmenantennen eignen sich eigentlich nur zum
Empfang.
Thomas schrieb:> Für den Fall, dass eine Rahmenantenne ein Schwingkreis sein muss, würde> mich interessieren wie man sich hierfür die Spule und den Kondensator> vorstellen darf. Diese Bauteile werden bei einer Leiterschleife ja nicht> extra eingebaut. Sind diese Bauteile aufbaubedingt bereits in der> Leiterschleife enthalten?
Die Leiterschleife ist die Spule. Einen passenden Kondensator für die
gewünschte Frequenz musst du irgendwo anbauen.
Hast du den Artikel mal gelesen?
https://de.wikipedia.org/wiki/Rahmenantenne
Thomas schrieb:> Für den Fall, dass eine Rahmenantenne ein Schwingkreis sein muss, würde> mich interessieren wie man sich hierfür die Spule und den Kondensator> vorstellen darf.
wenn Du mehrere Windungen in einer Rahmenantenne hast, gibt es sogar
Kapazitäten zwischen den einzelnen Windungen
oder Windungslagen bei anderen Spulen.
angepasst daran gibt es dann für mehrlagige Spulen,
z.B. Kreuzwickelspulen.
Horst schrieb:> Rahmenantennen eignen sich eigentlich nur zum> Empfang.
Vermutlich ist meine Wortbezeichnung nicht ganz richtig. Was ich meine
sind stromdurchflossende Leiterschleifen, welche elektromagnetische
Wellen aussenden.
Horst schrieb:> Die Leiterschleife ist die Spule. Einen passenden Kondensator für die> gewünschte Frequenz musst du irgendwo anbauen.
Bei mir geht es ja um die Lösung von Störaussendungsproblemen in der
EMV. Deswegen möchte ich keine magnetische Antenne bauen, denn sie ist
ja bereits parasitär vorhanden. Mir geht es mehr darum mein Verständnis
für magnetische Antennen zu vertiefen.
Horst schrieb:> Grundsätzlich strahlt jeder stromdurchflossene Leiter elektromagnetische> Wellen ab.
Muss der stromdurchflossene Leiter für die Aussendung
elektromagnetischer Wellen ein Schwingkreis sein, der in Resonanz
betrieben wird?
Dann würde mich noch interessieren wie es mit der Polarisation der
abgestrahlten Welle bei einer magnetischen Antenne ausschaut. Der
Hertzsche
Dipol strahlt ja immer in der Polarisation ab, in der seine
Kondensatorplatten ausgerichtet sind. Bei beispielsweise waagrecht
ausgerichteten Kondensatorplatten strahlt er auch nur in der waagrechten
Polarisation aus.
Aber wie schaut es mit der Rahmenantenne aus?
Nehmen wir folgendes Beispiel an: Die stromdurchflossene Leiterschleife
(Rahmenantenne) liegt waagrecht auf einem Tisch. In welcher Polarisation
wird dann eine elektromagnetische Welle abgestrahlt?
Ich würde spontan sagen in senkrechter Polarisation, weil die
magnetischen Feldlinien senkrecht aus der Leiterschleife austreten.
Thomas schrieb:> Muss der stromdurchflossene Leiter für die Aussendung> elektromagnetischer Wellen ein Schwingkreis sein, der in Resonanz> betrieben wird?
Nein, aber Resonanzen können zu einer vielfachen Verstärkung von Strömen
und Spannungen führen und so die Abstrahlung begünstigen.
Thomas schrieb:> Aber wie schaut es mit der Rahmenantenne aus?
Die elektrischen Feldlinien stehen in einiger Entfernung (im so
genannten Fernfeld) stets senkrecht auf den magnetischen Feldlinien.
Im Nahfeld können andere Bedingungen herrschen.
Du bekommst einen magnetischen Dipol im Nahfeld. Die abgestrahlte
Feldstärke ist proportional zum Strom und zur Fläche der Leiterschleife.
Egal ob du daraus einen Resonanzkreis gemacht hast oder nicht. Mit einer
flach auf dem Tisch liegenden Leiterschleife bekommst du sowohl im
Nahfeld als auch im Fernfeld eine senkrechte E-Feld Polarisation wie sie
eine senkrecht stehende Dipol-Antenne produziert. Im Nahfeld hast du
hauptsächlich magnetische Felder die erstmal hauptsächlich reaktiv
Blindleistung erzeugen, d.h. die elektrische Feldkomponente steht 90
Grad zur magnetischen. Im Fernfeld ist die magnetische und elektrische
Feldkomonente dann in Phase.
Thomas schrieb:> Damit der Hertzsche Dipol elektromagnetische Wellen aussendet, muss der> Schwingkreis in Resonanz betrieben werden.
Das ist eine grundlegend falsche Annahme.
Ein resonanter Dipol bietet nur besonders günstige Voraussetzungen
für die Einkopplung der Leistung, aber strahlen tut er prinzipiell
bei jeder Frequenz.
Kurzwellen-Funkamateure dürfen auf vielen Frequenzen zwischen 1,8
MHz (eigentlich ja schon Mittelwelle, wird aber meist als
Kurzwellenband bezeichnet) und 29,7 MHz senden. Oft genug haben sie
nicht für jedes Band dabei eine spezielle Antenne, sondern betreiben
was auch immer sie an Draht in die Luft hängen können per
Zwangsanpassung auf allen Bändern. Sicher sind die Abstrahlbedingungen
dann nicht immer optimal, aber es funktioniert.
Zur Natur von „magnetischen“ Antennen haben ja die anderen schon
einiges geschrieben.
Hp M. schrieb:> Nein, aber Resonanzen können zu einer vielfachen Verstärkung von Strömen> und Spannungen führen und so die Abstrahlung begünstigen.
Bei meinen EMV-Messungen liegt der Grenzwert bei 40 dBuV/m in 3 Meter
Entfernung Antenne-Prüfling. Würdet ihr behaupten, dass eine parasitäre
Antenne in Resonanz betrieben werden muss, um diesen Grenzwert der
Störausssendung zu überschreiten?
Christian K. schrieb:> Mit einer> flach auf dem Tisch liegenden Leiterschleife bekommst du sowohl im> Nahfeld als auch im Fernfeld eine senkrechte E-Feld Polarisation wie sie> eine senkrecht stehende Dipol-Antenne produziert.
Vielen Dank schon einmal für diese Information. Das deckt sich mit
meiner Einschätzung.
Wie würde es sich eigentlich verhalten, wenn die Leiterschleife vertikal
im Raum stehen würde? Ich würde behaupten, dass die vertikalen
Abschnitte der Leiterschleife waagrecht polarisierte Wellen aussenden
würden und die horizontalen Abschnitte vertikal polarisierte Wellen.
Liege ich mit dieser Einschätzung richtig?
Zur besseren Anschaulichkeit habe ich hierzu eine kleine Skizze mit
einer rechteckigen Leiterschleife und dem in rot eingezeichnetem
Magnetfeld gemacht (siehe Anhang).
Jörg W. schrieb:> Das ist eine grundlegend falsche Annahme.>> Ein resonanter Dipol bietet nur besonders günstige Voraussetzungen> für die Einkopplung der Leistung, aber strahlen tut er prinzipiell> bei jeder Frequenz.
Das ist ein guter Hinweis. In den ganze Internetseiten auf denen ich zu
dem Thema recherchiert habe wird nämlich immer von Resonanz gesprochen.
Ich vermute mal, dass es durch die Spannungsüberhöhung, welche bei
Serienresonanz auftritt, zu einem erhöhten elektrischen Feld zwischen
den "Kondensatorplatten" der elektrischen Dipolantenne und somit auch zu
erhöhter Störaussendung kommt. Liege ich mit dieser Vermutung richtig?
Jörg W. schrieb:> Kurzwellen-Funkamateure dürfen auf vielen Frequenzen zwischen 1,8> MHz (eigentlich ja schon Mittelwelle, wird aber meist als> Kurzwellenband bezeichnet) und 29,7 MHz senden. Oft genug haben sie> nicht für jedes Band dabei eine spezielle Antenne, sondern betreiben> was auch immer sie an Draht in die Luft hängen können per> Zwangsanpassung auf allen Bändern. Sicher sind die Abstrahlbedingungen> dann nicht immer optimal, aber es funktioniert.
Verstimmten diese Funkamateure nicht hier auch einen Schwingkreis z.B.
durch Verstellen eines Drehkondensators ? Das würde ja dann bedeuten,
dass auch die Funkamateure bei Resonanz aussenden.
Thomas schrieb:> Verstimmten diese Funkamateure nicht hier auch einen Schwingkreis z.B.> durch Verstellen eines Drehkondensators ? Das würde ja dann bedeuten,> dass auch die Funkamateure bei Resonanz aussenden.
Gewissermaßen tun sie das, aber das hat mit der Abstrahlung selbst
nichts zu tun. Es hat nur was damit zu tun, dass man die Leistung
aus dem Sender halt dann optimal entnehmen kann, wenn dessen
Ausgangsimpedanz zur Antennenimpedanz passt. Da die übliche
Ausgangsimpedanz heutiger Sender 50 Ω sind, muss man die Antenne
möglichst nah an 50 Ω reell heranbringen, und das ist, wenn man so
will, natürlich „Resonanz“. Eine der Grundeigenschaften eines
resonanten Schwingkreises ist es ja, dass sein Widerstand keinen
induktiven oder kapazitiven Anteil mehr hat, also reell ist.
Es gibt auch Antennen, die nicht einmal zwangsweise in Resonanz
gebracht werden, sondern bei denen man die 50 Ω auf andere Weise
erreicht, bspw. Antennen mit einem so genannten Schluckwiderstand.
Diese sind als Sendeantennen aber dahingehend nachteilig, dass sie
einen Teil der Leistung verheizen. Als Empfangsantenne macht man
in Form einer Beverage-Antenne gern von solch einer Konstruktion
Gebrauch.
Für deine EMV gilt auf jeden Fall: alles, was strahlen könnte und
genügend Anregung (in Form von HF-Strom oder -Spannung) erhält, das
wird auch strahlen. Reonsanzen sind diesen Antennen dabei völlig
schnuppe, sie strahlen eben nur mal mehr oder mal weniger.
Christian K. schrieb:> Mit einer> flach auf dem Tisch liegenden Leiterschleife bekommst du sowohl im> Nahfeld als auch im Fernfeld eine senkrechte E-Feld Polarisation wie sie> eine senkrecht stehende Dipol-Antenne produziert.
Nö.
So bekommst du ein vertikales H-Feld und im dementsprechend im Fernfeld
ein horizontales E-Feld.
Dementsprechend sind ja auch die magnetischen Ferritantennen der Radios
waagerecht angeordnet -die Drahtschleifen liegen also nicht sondern
stehen-, weil die senkrecht stehenden Masten der MW und
LW-Rundfunksender ein vertikal polarisiertes E-Feld erzeugen.
Die Magnetfeldlinien verlaufen da konzentrisch um den Sendemast.
Mit anderen Worten:
Die Polarisation des E-Feldes verläuft parallel zu der von der
Drahtschleife aufgespannten Fläche, ist bei einer liegenden
Leiterschleife also waagerecht.
...und die stärkste Abstrahlung erfolgt in dieser Ebene.
Hp M. schrieb:> Christian K. schrieb:>> Mit einer>> flach auf dem Tisch liegenden Leiterschleife bekommst du sowohl im>> Nahfeld als auch im Fernfeld eine senkrechte E-Feld Polarisation wie sie>> eine senkrecht stehende Dipol-Antenne produziert.>> Nö.> So bekommst du ein vertikales H-Feld und im dementsprechend im Fernfeld> ein horizontales E-Feld.
Jetzt wäre es natürlich interessant zu wissen welche der Theorien nun
die Richtige ist:). Vielleicht möchte sich zu diesem Thema ja noch eine
3. Person äußern.
Jörg W. schrieb:> Für deine EMV gilt auf jeden Fall: alles, was strahlen könnte und> genügend Anregung (in Form von HF-Strom oder -Spannung) erhält, das> wird auch strahlen. Reonsanzen sind diesen Antennen dabei völlig> schnuppe, sie strahlen eben nur mal mehr oder mal weniger.
Vielen Dank für diese Einschätzung. Gibt es eigentlich kostenlose
Simulationsprogramme mit denen ich Abstrahlungsprobleme der EMV
simulieren kann?
Mir würde ein elektromagnetischer Feldsimulator vorschweben, mit dem ich
bestimmte Teile der Anlage, welche nach meiner Einschätzung als
parasitäre Antenne wirken, mit ihren echten Abmessungen simulieren und
deren elektrische Feldstärke in 3 m Abstand "messen" kann. Also
vereinfacht gesagt würde ich gerne in bestimmte Gehäuseteile Störungen
einkoppeln (z.B. durch induktive Kopplung) und dann simulieren wie stark
diese Teile elektromagnetische Wellen abstrahlen. Vielleicht könnte man
hierdurch im Idealfall durch bessere Kenntnis der Abstrahlungsursache
bestimmte Antennen in ihrer Abstrahlung "verschlechtern".
Thomas schrieb:> Gibt es eigentlich kostenlose Simulationsprogramme mit denen ich> Abstrahlungsprobleme der EMV simulieren kann?
Es gibt kostenlose Feldsimulatoren. Einen Vortrag über einen haben
wir auf den Chemnitzer Linuxtagen gehört:
https://chemnitzer.linux-tage.de/2017/de/programm/beitrag/180
Georg hatte auch die verschiedenen Varianten von Feldsimulation dort
benannt und gezeigt, auf welche der Möglichkeiten sich OpenEMS da
konzentriert.
Das größte Problem dabei, sowas in deinem Umfeld zu simulieren, dürfte
es sein, die Ströme bzw. Spannungen zu ermitteln, die tatsächlich
irgendwo an einer potenziellen Antenne vorhanden sind, um diese
anzuregen.
