Antennentechnik, Teil 1
Gleich- und niederfrequente Wechselspannungen sind bekannt: Induktive Geber liefern Spannungen, deren Frequenzen und Amplituden mit werkstattüblicher Messtechnik noch erfassbar sind. Anders bei der Hochfrequenztechnik, dem Reich der Antennen: Hohe Frequenzen und kleine Amplituden schränken die Möglichkeiten der Werkstatt stark ein. Ein Ein- und Überblick.
Antennen wandeln elektromagnetische Wellen in Spannung und Strom um. Weil der Sender meist weit entfernt ist, gelangt nur ein geringer Teil der Sendeleistung – Piko- bis Mikrowatt-Bereich – bis zum Empfänger. Um möglichst viel Energie zu erfassen, besitzen Antennen, je nach Frequenzbereich, individuelle Abmessungen und Formen. Genau genommen gibt es für jede Antenne nur eine Frequenz, bei der sie optimal arbeitet: ihre Resonanzfrequenz. In der Praxis kann man natürlich nicht für jede Empfangsfrequenz eine separate Antenne verbauen. Im UKW-Bereich, das ist der Bereich von 88 bis 108 Megahertz, wird eine Antenne auf die mittlere Frequenz, also rund 98 MHz, abgestimmt. Geringfügige Verluste unter- und oberhalb der Mittenfrequenz toleriert man.
Fußpunktwiderstand von Antennen
Nicht selten ist in den Datenblättern von Antennen vom so genannten Fußpunktwiderstand zu lesen, der bei der verwendeten Frequenz, beispielsweise 50 Ohm, gemessen wird. Dieser Widerstand ist jedoch nicht mit einem werkstattüblichen Ohm- oder Multimeter erfassbar, hierzu benötigt man ein spezielles Messgerät.
Um optimale Signalübertragung zu gewährleisten, muss an einer Antenne mit dem Fußpunktwiderstand 50 Ohm auch ein Kabel mit 50 Ohm Wellenwiderstand angeschlossen werden (Anpassung). Abweichungen (Fehlanpassung) verursachen Reflexionen und somit eine geringere Spannung am Radio.
Spezieller Kabeltyp: Koaxialkabel
Die am Fußpunkt der Antenne auftretende elektrische Spannung liegt im Bereich von wenigen Mikro- bis einigen Millivolt. Somit gilt, sie möglichst verlustfrei über mehrere Meter bis zum Radio zu übertragen, was einen speziellen Kabeltyp erfordert: Koaxialkabel. Dieser Kabeltyp ähnelt dem TV-Antennenkabel. Koaxialkabel gibt es mit unterschiedlichen Wellenwiderstandswerten, im Kfz-Bereich verwendet man solche mit 50, 75 oder 125 Ohm. Gegebenenfalls müssen die schwachen Signale mit einem Antennenverstärker verstärkt werden.
Vorsicht Falle: Auch der Wellenwiderstand eines Koaxialkabels ist nicht mit einem konventionellen Ohmmeter messbar. Er ergibt sich vielmehr aus der Geometrie und dem verwendeten Dielektrikum – die Schicht zwischen Innen- und Außenleiter des Kabels – und ist von der Kabellänge und der Frequenz unabhängig. Das bedeutet, dass beispielsweise ein 50-Ohm-Kabel stets einen Wellenwiderstand von 50 Ohm besitzt, egal ob das Kabel einen oder zehn Meter lang ist.
Spezieller Steckertyp: FAKRA
Steckverbinder entsprechen heute im Regelfall dem FAKRA-Standard (vgl. asp 8/2012, ab Seite 10). Diese Stecker zeichnen sich durch ein gutes Hochfrequenzverhalten aus, sofern sie in qualitativ hochwertiger Ausführung sauber und präzise montiert wurden. Verminderte Materialqualität und schlampige Montage werden mit schlechtem Empfang am Radio bestraft. Nicht selten ist das auch die Ursache für schlechten Empfang nach Umrüstung des Radios oder Erneuerung des Antennenkabels.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Signal einer Antenne bis zum Radio oder anderen Empfängern zu transportieren:
direkt (ohne Verstärker)
mit einem Verstärker, der direkt mit Spannung versorgt wird
mit einem Verstärker, der über das Antennenkabel mit Spannung versorgt wird (Fernspeisung)
Probleme nach Radioumrüstung?
Bei Fernspeisung kann es im Fall einer Radioumrüstung zu Empfangsproblemen kommen, wenn das neue Radio keine Spannung für den Verstärker liefert. Abhilfe schafft ein Adapter, integriert zwischen Radio und Antenne. Mehr dazu im zweiten Teil dieses Artikels.
Aufwändige Systeme mit mehreren Antennen (so genannte Antennen-Diversity) besitzen zusätzlich eine Elektronik, die nur die empfangsstärkste Antenne zum Radio durchschaltet. Bei manchen älteren Antennen-Diversity-Systemen wird neben dem Empfangssignal, das zum Radio geführt wird, auch eine Regelspannung, bezeichnet als Zwischenfrequenz, vom Radio zum Antennen-Diversity-Modul rückübertragen, über das die eingestellte Frequenz mitgeteilt wird. Zusammen mit der Regelspannung vom Radio kann das Antennen-Diversity-Modul entscheiden, welche Antenne den höchsten Signalpegel für die gewünschte Frequenz liefert, und diese zum Radio durchschalten. Bei neueren Systemen entfällt das zusätzliche Signal; die Regelspannung wird über die Antennenleitung vom Radio zum Antennen-Diversity-Modul übertragen.
Antennen: Bauformen, Einbauorte
An Fahrzeugen eingesetzte Antennen können bezüglich der Bauform und des Einbauorts durchaus unterschiedlich ausfallen. Im Folgenden einige häufig praktizierte Lösungen.
Die konventionelle Stabantenne besteht aus einem Metallstab mit einer bestimmten, aus der Karosserie ragenden Länge. Dabei gilt: Je höher der Stab angebracht ist, um so besser ist der Empfang, denn der wirksamste Hochfrequenzverstärker ist die Antenne selbst. Das Gemisch aus elektromagnetischen Wellen erzeugt in der Antenne eine Spannung, die umso größer ist, je besser die Antennenlänge mit der zu empfangenden Wellenlänge zusammenpasst (Resonanzfrequenz). Im UKW-Bereich (rund 100 Megahertz) beträgt die Wellenlänge ca. drei Meter. Eine Stabantenne mit der Länge eines Viertels dieser Wellenlänge (ca. 75 Zentimeter) ist eine von mehreren möglichen Bauformen. In der Praxis bewegen sich die Längen von Stabantennen im Bereich zwischen 70 und 100 Zentimeter. Ihr Fußpunktwiderstand wird von den Herstellern mit etwa 120 bis 150 Ohm angegeben.
Kurze Stab- und Kombiantennen
Weil lange Antennen optisch nicht mehr zeitgemäß sind, hat man sie verkürzt. Kurze Stabantennen bestehen aus einem ca. 20 bis 30 Zentimeter messenden Kunststoffstab, auf dem der Antennendraht aufgewickelt wurde. Mit anderen Worten: Die sonst 70 bis 100 Zentimeter Stablänge werden bei dieser Lösung in Form einer Spule dargestellt.
Um eine Stabantenne für mehrere Anwendungen nutzen zu können – Radio, TV, Telefon, Navigation (GPS) –, wird sie in mehrere Segmente unterteilt und als Kombiantenne bezeichnet, wobei GPS-Antenne und Verstärkerstufen meist im Sockel der Antenne untergebracht sind. Auf diesen Sockel ist ein mehr oder weniger langer Stab montiert.
Antennenverstärker positioniert man möglichst nahe an die Antenne, um ausschließlich das Nutzsignal zu verstärken, denn am anderen Ende des Kabels würde man auch das so genannte Rauschen und andere Störungen mit verstärken. Hinweis: Die Spannungsversorgungen für die Antennenverstärker müssen nicht einheitlich erfolgen: für Radio (FM/AM) entweder über eine Fernspeisung vom Radio aus oder über einen separaten Anschluss an der Antenne, für GPS (3,5 bis 5 Volt) stets über Fernspeisung vom Navigationsmodul aus. Es ist möglich, auch mehrere Antennen an einen gemeinsamen Verstärker anzuschließen. Dabei sorgt der Verstärker für die Verteilung der Frequenzbänder auf die entsprechenden Ausgänge.
Versteckte Antennen
Ebenfalls aus optischen Gründen werden Antennen häufig von der Karosserie verbannt und möglichst wenig sichtbar in Scheiben (Heck-, Seiten- oder Frontscheiben) oder in den Heckstoßfänger integriert. Bei Fahrzeugen von Behörden (Polizei etc.) werden getarnte Antennen sogar im Innenraum (zum Beispiel an/unter der Rücksitzbank) verbaut.
Versteckte Antennen haben schlechteren Empfang und stärkere Richtwirkung. So wird beispielsweise eine Antenne in der Seitenscheibe hinten links von der rechten Karosserieseite abgeschirmt. Das Signal ist schwächer, eventuell mit mehr Störsignalen überlagert, und das Rauschen höher, was aufwändige Filter, Verstärker und Verkabelung erfordert.
Die Heizdrähte einer Heckscheibenheizung können im Normalfall auch als Antenne dienen, und zwar für Radio, TV und Fernbedienung. Um Störungen zu vermeiden, werden beide Systeme (Spannungsversorgung für die Heckscheibenheizung und Signalweg zum Radio) mit einem Sperrfilter getrennt. Funktion des Sperrfilters (vgl. Bild links Mitte): Die Spulen L1 und L2 wirken als Hochfrequenzsperre und lassen den Strom für die Heckscheibenheizung passieren. Der Kondensator C trennt die Leitung von der Gleichspannung und ist nur für höhere Frequenzen durchlässig. Aufgrund des Einbauorts ist der Empfang deutlich schwächer und die Richtwirkung der Antenne größer. Das Signal muss verstärkt, eventuell ausgewertet und bei Antennen-Diversity-Systemen je nach Empfangsstärke abwechselnd durchgeschaltet werden, was den Bauteilaufwand und in der Folge die Kosten erhöht.
Unerwünschter Mantelstromfluss
Liegen Antennenleitungen neben starken Störquellen, kann es im Außengeflecht (Abschirmung) des Antennenkabels zu unerwünschtem Stromfluss, Mantelstrom genannt, kommen. Mantelströme können das Nutzsignal wegen der unterschiedlichen Massepotenziale mit Störspannungen überlagern. Abhilfe schafft hier ein Mantelwellenfilter, der den Störstrom eliminiert, damit das Koaxialkabel nicht ungewollt als Sendeantenne fungiert. Ein- und Ausgang des Mantelwellenfilters sind galvanisch nicht getrennt. Durch einen gegenläufigen Wicklungssinn um einen Ferritkern oder durch eine Ferrithülse um die Leitung, bekannt als Verdickung am Ende von Computer-Kabeln, werden hochfrequente Gleichtaktsignale unterdrückt (vgl. Bilder auf dieser Doppelseite unten).
Zwei unterschiedliche Filter
Oft werden Mantelstrom- und Mantelwellenfilter fälschlicherweise gleichgesetzt, jedoch haben sie unterschiedliche Funktionsprinzipien. Im Gegensatz zum Mantelwellenfilter hat ein Mantelstromfilter meist eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang, um auftretende niederfrequente Störströme im Massegeflecht zu unterdrücken, was meist mit Kondensatoren erfolgt.
Vom Kfz-typischen 50-Ohm-Antennenkabel gibt es zahlreiche Varianten (RG 58, RG 174 usw., vgl. asp 8/2012, ab Seite 10). Zwar unterscheiden sich die Kabel im Preis und vor allem in der Qualität, doch sind nicht alle teuren Kabel auch wirklich gut. Die wichtigsten Qualitätskriterien sind ein hochwertiger mechanischer, also stabiler Aufbau, möglichst wenig Verluste (in der Fachsprache als geringe Dämpfung bezeichnet) und eine wirksame Abschirmung. Die Wirkung der Abschirmung kann durch eine Lage Aluminiumfolie unter dem Drahtgeflecht zusätzlich erhöht werden. Generell gilt: Ein loses, sehr weitmaschiges Geflecht schirmt nicht gut genug ab.
Reinhold Dörfler
Diagnose
Neben beschädigten Antennenstäben sind durch Feuchtigkeitseintritt korrodierte Anschlüsse und Masseverbindungen häufige Ursachen für Störungen an Stab- und Kombiantennen.
Fortsetzung folgt
... zum Thema Antennentechnik erscheint bereits in der Ausgabe 1 (Januar) 2013 von asp Auto Service Praxis und beinhaltet diese Themen:
typische Fehlerquellen/Diagnose
Anpassung von Antennensystemen
Probleme bei der Nachrüstung/Stichwort Phantomspeiseadapter
Weiterbildung
Ist das Steuergerät wirklich defekt oder womöglich nur eine einfach zu behebende Kleinigkeit die wirkliche Ursache des Systemausfalls? Dazwischen liegt in der Regel eine Differenz von rund 1.500 Euro, manchmal noch mehr. Um den Anteil zufriedener (und somit treuer) Kunden zu vergrößern, veranstaltet Reinhold Dörfler am 1. Dezember dieses Jahres in Idstein bei Frankfurt das Seminar „Diagnose an Kfz-Steuergeräten & Zündspulen prüfen“. Der Testgeräte-Entwickler, Fachbuchautor und asp-Mitarbeiter (vgl. Beitrag „Empfängnis“ ab Seite 10) schulte diese Themen bereits mehrfach in der Schweiz. Auch die erste Veranstaltung in Deutschland erklärt typische Ursachen für tatsächliche Steuergerät-Ausfälle, das Prüfen der Spannungsversorgung, das Prüfen und Interpretieren von Ein- und Ausgangssignalen mit verschiedenen Hilfsmitteln sowie die Stolperfallen Hot-Plug-in und Massefehler. Hinzu kommt ein weiteres Thema: Prüfen von Zündspulen. Hierbei gibt es, so Reinhold Dörfler, ebenfalls Unsicherheiten bei Werkstatt- und Autohausmitarbeitern. Das Seminar findet am 1. Dezember 2012 in der Stadthalle Idstein statt und ist auf lediglich 20 Teilnehmer begrenzt. In den 249 Euro Teilnahmegebühr sind Schulungsunterlagen und Verpflegung enthalten. Interessenten können sich mit dem unten stehenden Link zur In- ternetseite des Veranstalters anmelden. Für das zweite Quartal 2013 ist eine weitere Veranstaltung geplant, die aller Voraussicht nach in München oder Umgebung stattfinden wird. pd
www.doerfler-elektronik.de/schulung/schulung-ffm.pdf
- Ausgabe 11/2012 Seite 10 (664.8 KB, PDF)
