Empfänger-IC UKW-Empfang mit Miniantenne

Der Empfang von UKW-Rundfunk erfordert normalerweise eine Antenne mit einer Länge von ca. 1 m (λ/4). Doch die früher bei Transitorradios üblichen Teleskopantennen passen nicht zum Gehäuse-Design moderner Mobiltelefone, Smartphones und Notebooks. Eine unauffällige Alternative ist das Nutzen des Kopfhörerkabels als Antenne. Doch um UKW-Rundfunk auch ohne angeschlossenen Kopfhörer mit einer im Gerät integrierten Antenne zu empfangen, bedarf es einer abstimmbaren Antennenankopplung.

UKW-Rundfunk wird seit Jahren für die Musik- und Sprachübertragung eingesetzt und bietet hohe Klangqualität, Signalrobustheit und Rauschimmunität. Seit geraumer Zeit werden UKW-Empfänger auch immer mehr in mobilen Geräten wie z.B. Audio-/Video-Spielern und Mobiltelefonen integriert. Der traditionelle UKW-Empfänger erfordert jedoch eine relativ lange Antenne, die sich bei Mobilgeräten z.B. unauffällig mit dem Kopfhörerkabel realisieren lässt. Dies schränkt aber den Radioempfang für viele Anwender ein, die keine Kopfhörer mit Kabelanschluss tragen. Um mit Funk-Kopfhörern oder Lautsprecher UKW-Radio zu hören, sind andere Antennen erforderlich.

Empfängerempfindlichkeit erhöhen

Die Empfindlichkeit eines Radioempfängers lässt sich als das kleinste Signal definieren, das ein Empfänger mit einem bestimmten Signal-Rausch- Abstand (SNR) verarbeiten kann. Der im Mobilfunk genutzte Empfangsfeldstärke- Anzeiger (RSSI, Received Signal Strength Indicator) stellt im Vergleich hierzu nur die HF-Signalstärke bei einer bestimmten Frequenz dar. Er enthält keinerlei Information über das Rauschen oder die Signalqualität. Der Audio-SNR bietet demgegenüber eine bessere Möglichkeit, um die Leistungsfähigkeit von Empfängern mit unterschiedlichen Antennen zu vergleichen. Ein hoher SNR-Wert ist unerlässlich, um dem Radio-Hörer eine gute Audioqualität zu bieten.

Antennen stellen die Verbindung zwischen den elektrischen HF-Schaltkreisen und einer elektromagnetischen Welle her. Für den UKW-Empfang kann eine Antenne als Wandler betrachtet werden, der die Energie der elektromagnetischen Welle in eine Spannung umwandelt, die dann von einem elektrischen Schaltkreis, z.B. einem rauscharmen Eingangsverstärker, weiterverarbeitet wird. Die Empfindlichkeit eines UKW-Empfängers hängt direkt mit der Spannung zusammen, die der Eingangsverstärker erhält. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, muss auch diese Spannung erhöht werden.

Für Antennen sind viele verschiedene Bauarten üblich, z.B. als Kopfhörer-, Stab-, Rahmen- und Chipantennen. Jede dieser Antennen lässt sich mithilfe eines Ersatzschaltbildes analysieren (Bild 1). Der Blindwiderstand X stellt entweder einen Kondensator oder eine Spule dar. Er wird durch die Antennenkonstruktion festgelegt, wobei der Wert des Blindwiderstands (Induktivität oder Kapazität) von der Antennengeometrie abhängt. Der Verlustwiderstand RV hängt von der Verlustleistung der Antenne ab, die als Wärme abgegeben wird. Der Strahlungswiderstand RS hängt von der Spannung ab, die durch die elektromagnetische Welle erzeugt wird.

Der Einfachheit halber wird für die folgende Analyse das Modell einer Rahmenantenne als Beispiel verwendet. Ähnliche Berechnungen lassen sich für jeden anderen Antennentyp erstellen, z.B. für die kurzen Monopolantennen (halber Halbwellendipol), die per Kopfhörerkabel realisiert werden.

Maximaler Wirkungsgrad bei Resonanzfrequenz

Um die von der Antenne gelieferte Energie zu maximieren, muss ein Resonanznetzwerk den Blindwiderstand der Antenne ausgleichen. Anderenfalls würde diese Spannung, die von der Antenne zum Eingangsverstärker übertragen werden soll, gedämpft. Bei einer induktiven Rahmenantenne sorgt die Kapazität Cr für die Resonanz der Antenne bei der gewünschten Frequenz:

(1)                                               «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»f«/mi»«mi»r«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#215;«/mo»«mo»§#960;«/mo»«mo»§#215;«/mo»«msqrt»«msub»«mi»LC«/mi»«mi»r«/mi»«/msub»«/msqrt»«/mrow»«/mfrac»«/math»

Die Resonanzfrequenz fr ist die Frequenz, bei der die Antenne die elektromagnetische Welle am effektivsten in eine Spannung umwandelt. Der Antennenwirkungsgrad ist das Verhältnis der am Strahlungswiderstand RS wirkenden Leistung zur Gesamtleistung, die von der Antenne empfangen wird. Er kann auch über das Verhältnis RS/Z ausgedrückt werden – mit Z als der Gesamtimpedanz der Antenne mit dem Antennen-Resonanznetzwerk. Z ergibt sich aus:

(2)                        «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»Z«/mi»«mo»=«/mo»«msub»«mi»R«/mi»«mi»S«/mi»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»R«/mi»«mi»V«/mi»«/msub»«mo»+«/mo»«mi»j«/mi»«mfenced»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#215;«/mo»«mo»§#960;«/mo»«mo»§#215;«/mo»«mi»f«/mi»«mo»§#215;«/mo»«mi»L«/mi»«mo»-«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#215;«/mo»«mo»§#960;«/mo»«mo»§#215;«/mo»«mi»f«/mi»«mo»§#215;«/mo»«msub»«mi»C«/mi»«mi»r«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfrac»«/mrow»«/mfenced»«/math»

Befindet sich die Antenne im Resonanzzustand, berechnet sich der Wirkungsgrad der Antenne wie folgt:

(3)                                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mo»§#951;«/mo»«mi»r«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mfrac»«msub»«mi»R«/mi»«mi»S«/mi»«/msub»«mrow»«msub»«mi»R«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»R«/mi»«mi»V«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfrac»«/math»

Befindet sich die Antenne im Resonanzzustand, berechnet sich der Wirkungsgrad der Antenne wie folgt:

(4)                   «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mo»§#951;«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«msub»«mi»R«/mi»«mi»S«/mi»«/msub»«msup»«msqrt»«mrow»«msup»«mfenced»«mrow»«msub»«mi»R«/mi»«mi»S«/mi»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»R«/mi»«mi»V«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfenced»«mn»2«/mn»«/msup»«mo»+«/mo»«mfenced»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#215;«/mo»«mo»§#960;«/mo»«mo»§#215;«/mo»«mi»f«/mi»«mo»§#215;«/mo»«mi»L«/mi»«mo»-«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#215;«/mo»«mo»§#960;«/mo»«mo»§#215;«/mo»«mi»f«/mi»«mo»§#215;«/mo»«msub»«mi»C«/mi»«mi»r«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfrac»«/mrow»«/mfenced»«/mrow»«/msqrt»«mn»2«/mn»«/msup»«/mfrac»«/math»

Bei abweichenden Frequenzen von der Resonanzfrequenz ist der Antennenwirkungsgrad η kleiner als der Resonanz- Wirkungsgrad ηr, da die Eingangsimpedanz Z der Antenne kapazitiv oder induktiv ist.