KAPITEL I Einleitung - Physikzentrum der RWTH Aachen - RWTH ...

Testmessungen mit Prototypantennen
für den Nachweis
von Radiosignalen
aus Luftschauern
von
Tim Olschewski
Bachelorarbeit in P H Y S I K
vorgelegt der
Fakultät für Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
im
Juli 2012
angefertigt am
III. Physikalischen Institut B
Prof. Dr. Christopher Wiebusch

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 IceCube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Radiosignale aus Luftschauern 3
2.1 Kosmische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Teilchenschauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Nachweismethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 RASTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Messaufbau und Methodik 11
3.1 Funktionsweise von Dipolantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 Messergebnisse 19
4.1 Bodenmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 Reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1.2 Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Kranmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.1 Reflektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2.2 Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Fehlerquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Zusammenfassung und Ausblick 37
5.1 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2 Offene Punkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
A Datenblatt zur Schwarzbeck Antenne 39
Literatur I
Bilderverzeichnis III
Danksagung VII
Erklärung IX
c

Inhaltsverzeichnis
d

KAPITEL I
Einleitung
Obwohl wir schon seit Jahrhunderten den Sternenhimmel betrachten, ihn zur Navigation
benutzen und den Kosmos mit Teleskopen erforschen, birgt selbiger immer noch
Geheimnisse. So werden zum Beispiel die Quellen der kosmischen Strahlung bis heute
mit Teleskopen erforscht. Die Herkunftsrichtung, Energie und Masse dieser Teilchen kann
man mit verschiedenen Experimenten bestimmen und dient den Forschern für ein besseres
Verständnis ihrer Herkunft.
In dieser Arbeit dokumentiere ich den Bau eines Antennenprotoypen zur Messung von
ausgedehnten Luftschauern. Luftschauer sind Teilchenkaskaden, die in der Atmosphäre
durch hochenergetische Teilchen der kosmischen Strahlung entstehen. Die Arbeit ist eingebettet
in die Arbeit des IceCube-Experimentes. Ziel ist es, ein Antennen-Design für den
Luftschauernachweis zu erstellen und zu verbessern und so einen Beitrag zur Verbesserung
der Luftschauerdetektion mittels Antennen zu liefern. Die Antennen werden dabei über
ihr Reflektions- und Transmissionverhalten bewertet.
Sie könnten IceCube [10] und IceTop zur Betreibung von Luftschauerphysik unterstützen.
1.1 IceCube
Das IceCube-Experiment ist ein Neutrinodetektor am Südpol. Er besteht aus insgesamt
86 Strings mit jeweils 60 optischen Modulen (DOM) 1 , die im Eis in einer Tiefe zwischen
1450 m und 2450 m installiert sind und ein Volumen von 1 km 3 ausfüllen [10].
Neutrinos wechselwirken mit anderen Teilchen nur mit ein sehr geringen Wahrscheinlichkeit,
da sie einen sehr kleinen Wirkungsquerschnitt besitzen. Sollten sie trotzdem an
Kollisionen beteiligt sein, können dabei geladene Leptonen entstehen. Falls diese Leptonen
genug Energie besitzen, können sie schneller durch das Eis fliegen, als das Licht sich in diesem
Medium ausbreitet. Dadurch wird Cherenkov-Licht emittiert, das von den Sensoren
der optischen Module detektiert wird. IceCube ist sensitiv für Neutrinoenergien zwischen
100 GeV und 10 9 GeV [8].
Im Zentrum von IceCube in einer Tiefe von 2000 bis 2450 m ergänzen zusätzliche 8 Strings
mit insgesamt 480 optischen Modulen den Neutrinodetektor. Mit 6 umliegenden regulären
IceCube-Strings bilden die insgesamt 15 Strings einen dichten Detektorzusatz, der als
„DeepCore“ bezeichnet wird. DeepCore ist schon für Energien ab 10 GeV sensitiv.
1 steht für Digital Optical Modules
1

1 EINLEITUNG
Abbildung 1.1: Schematische Darstellung des IceCubs-Experiments mit 5160 Photomultipliern
an 86 Strings in einem Kubikkilometer Eis. An der Oberfläche oberhalb von
IceCube ist IceTop zu sehen, ein Luftschauerdetektor mit 81 Stationen [1].
Neben dem IceCube Neutrino-Teleskop existiert oberhalb davon an der Oberfläche ein
aus 81 Stationen bestehender Cherekovdetekor namens IceTop. Auch hier wird Eis als
Detektormaterial verwendet und die optischen Module zur Detektion von Cherenkovlicht
sind die gleichen wie in IceCube.
Mit Koinzidenzmessungen zwischen IceCube und IceTop kann zum Einen Luftschauerphysik
betrieben werden, indem aus der Beobachtung der Sekundärteilchen im Luftschauer
auf die Eigenschaften der Primärteilchen aus der kosmischen Strahlung geschlossen werden
kann. Zum Anderen dient IceTop als Vetodektor zur Reduktion von Untergrundereignissen
in IceCube durch atmosphärische Myonen, die mit Myonen aus Neutrinoereignissen
verwechselt werden können.
2

2.1 Kosmische Strahlung
KAPITEL II
Radiosignale aus Luftschauern
Noch bis Anfang des 20. Jahrhunderts dachte man, die ionisierende Hintergrundstrahlung,
die man auf der Erde messen kann, sei terrestrischen Ursprungs. Je höher man auf ein
Gebäude stieg, desto kleiner wurde die gemessene Ionisationsrate.
Im Jahr 1912 entdeckte Viktor Hess auf mehreren Ballonflügen allerdings eine andere Abhängigkeit
[11, 12]. Ab einer Höhe von 2000 m nahm die Ionisationsrate der Atmosphäre
wieder erkennbar zu. Diese Rate wurde damals mit einem zur Erde hin gut isolierten
Metallzylinder gemessen, der elektrisch aufgeladen wurde. Die Entladung konnte über ein
Elektrometer angezeigt werden. Durch die andauernde Entladung des Zylinders trotz seiner
guten Isolierung schloss man auf eine elektrische Leitfähigkeit der Luft.
Hess vermutete, dass die gemessene Strahlung nicht nur aus Radioisotopen auf der Erde
kommen kann. Es muss auch kosmische Quellen geben, von denen die Strahlung bis in die
Erdatmosphäre dringen kann [13].
Er postulierte darauf hin die „Höhenstrahlung“ und erhielt dafür 1936 den Nobelpreis für
Physik.
Die kosmische Strahlung besteht in erster Linie aus Protonen, ferner aus α-Teilchen,
freien Elektronen und schweren Elementen [7]. Abbildung 2.1 zeigt den Teilchenfluss der
kosmischen Strahlung in Abhängigkeit der Energie. Der Teilchenfluss für Teilchen der
Energie 10 11 eV liegt bei rund 1 Teilchen/m 2 s. Bei höheren Energien von 10 16 eV liegt der
Fluss nur noch bei 1 Teilchen/m 2 Jahr, bei 10 19 eV noch bei 1 Teilchen/km 2 Jahr. Das macht eine
Detektion der hochenergetischen Teilchen besonders schwierig. Gegenstand der Forschung
sind bis heute auch die Phänomene des „Knies“ zwischen 10 15 eV und 10 16 eV und des
„Knöchels“ bei ca 8 · 10 18 eV im Energiespektrum, bei denen sich die Abhängigkeit zwi-
schen Teilchenenergie und Teilchenfluss ( dN
dE ∝ E−γ ) schlagartig ändert. Ab dem Knie fällt
der Fluss schneller ab und beim Knöchel flacht er wieder kurz ab.
Strahlung mit niedriger Energie kommt von Sonnenwinden. Weitere Quellen sind die
Milchstraße bis Teilchenenergien des „Knies“, aber gerade für hochenergetische Teilchen
ab einer Energie von 10 18 eV auch andere Galaxien oder Quasare. Wahrscheinlich entsteht
diese hochenergetische Strahlung durch Supernovareste, Pulsare oder kosmische Jets von
schwarzen Löchern [7, 13].
3

2 RADIOSIGNALE AUS LUFTSCHAUERN
Abbildung 2.1: Teilchenfluss der kosmischen Strahlung in Abhängigkeit der Energie, gemessen
mit verschiedenen Luftschauerexperimenten. [6]
4

2.2 Teilchenschauer
2.2 Teilchenschauer
Wenn ein Teilchen aus der kosmischen Strahlung auf Atome in der Erdatmosphäre trifft,
entsteht ein Schauer aus vielen Sekundärteilchen, die wiederum bei Kollisionen mit Atomen
aus der Luft weitere Schauer produzieren können [9]. Die Schauer bestehen aus einer
hadronischen, einer elektromagnetischen und einer myonischen Komponente, wobei die
elektromagnetische Komponente mit rund 90% aller Teilchen die mit Abstand größte ist.
Die hadronische Kaskade geht zum großen Teil in die anderen Komponenten über. Geladene
Pionen zerfallen zum Beispiel in Myonen und Myon-Neutrinos, neutrale Pionen
in Photonen. Myonen erreichen aufgrund ihrer geringen Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
mit anderer Materie den Erdboden oder zerfallen in Elektronen bzw. Positronen
und Neutrinos. Elektronen, Positronen und Photonen gehen durch Paarproduktion oder
Elektron-Positron-Annihilation ständig ineinander über.
Abbildung 2.2 zeigt schematisch einen Schauer, der durch ein hochenergetisches Proton
ausgelöst wird. Schauer entstehen meist in rund 20 km Höhe. Während sich die hadronische
Kompontente kaum von der Schauerachse entfernt, kann die elektromagnetische
Komponente eines Schauers ein Gebiet von einigen km 2 am Boden abdecken.
2.3 Nachweismethoden
Um Luftschauer zu detektieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen hier drei
kurz beschrieben werden sollen. In dieser Arbeit wurden Testmessungen mit Antennen-
Prototypen durchgeführt, deshalb wird darauf im Besonderen eingegangen.
Cherenkov-Detektoren
Cherenkov-Detektoren zum Luftschauernachweis sind Tanks, die ein lichtdurchlässiges
Medium beinhalten und mit Photomultipliern versehen sind. In dem Detektormaterial,
meist Wasser oder Eis, können sich hochenergetische Teilchen schneller fortbewegen als
das Licht in diesem Medium. Wenn das geschieht, entsteht ausgehend von der Flugbahn
des Teilchens ein Lichtkegel, analog zum Schallkegel bei Überschallflügen. Den Cherenkov-
Effekt [17] lösen nur geladene Teilchen aus. Die Photomultiplier können den kurzen Lichtblitz
nachweisen.
Mit einem großen Areal, bedeckt von diesen Tanks, kann die Ankunftsrichtung des Schauers
sehr genau nachgebildet werden. Nachteil hierbei sind die hohen Kosten und der hohe
Aufwand zum Bau von vielen dieser Detektoren um ein genügend großes Gebiet abzudecken.
5

2 RADIOSIGNALE AUS LUFTSCHAUERN
Abbildung 2.2: Schematische Darstellung eines Luftschauers mit der elektromagnetischen
(links), der hadronischen (mitte) und der myonischen (rechts) Komponente.
Das „observing level“ beschreibt den Punkt, an dem der Schauer beobachtet
wird [2].
6

Fluoreszenzteleskope
2.4 RASTA
Fluoreszenzteleskope detektieren UV-Licht, das von Stickstoffatomen in der Luft ausgesendet
wird. Die Atome wurden durch die geladenen Teilchen des Schauers angeregt [17].
Diese Teleskope sind gut dafür geeignet die Ankunftsrichtung des Primärteilchens zu bestimmen,
allerdings nur bei Nacht, da das Sonnenlicht keine Messung ermöglicht. Der
Nachteil ist, dass Mondlicht oder zivilisatorische Lichtverschmutzung die Messung verfälschen
können.
Radioantennen
Mittels Radioantennen kann die elektromagnetische Komponente der Luftschauer nachgewiesen
werden [9]. Elektronen und Positronen werden im Magnetfeld der Erde durch
die Lorentzkraft abgelenkt. Durch diesen Drift entsteht Geosynchrotronstrahlung, die mit
den Antennen gemessen werden kann. Abbildung 2.3 zeigt diese Entstehung.
Der Vorteil von Antennen ist hierbei, dass sie kleiner, leichter und handlicher sind als
große Tanks zur Cherenkovlicht-Detektion. Sie sind zudem einfach in der Konstruktion.
Das Spektrum der auswertbaren Frequenzen liegt dabei meist bei 30 bis ungefähr 200 MHz
[18]. Die Antennen müssen also besonders in diesem Spektrum sensitiv sein. Zivilisatorische
Radiosignale wie zum Beispiel UKW-Radio oder BOS-Funk 2 liegen auch in dem
Bereich.
2.4 RASTA
Das Radio Air Shower Test Array (RASTA) ist ein geplantes, bisher noch nicht realisiertes
Antennenarray zur Detektion von Radiosignalen aus Luftschauern oberhalb des IceCube
Detektors an der Eisoberfläche. Das Ziel ist einen kostengünstigen, aber dennoch effektiven
Detektor zu verwirklichen, der mit vielen Einzelantennen ein flächenmäßig weites
Feld abdeckt. Zusammen mit IceTop wäre RASTA eine weitere Oberflächendetektorkomponente
des Neutrino-Teleskops IceCube. Durch Zusammenarbeit der drei Detektoren
will man Luftschauerphysik betreiben. Besonders hochenergetische Teilchen sollen dabei
erforscht werden. Neben der reinen Luftschauerphysik kann RASTA aber auch als
Vetodetektor dienen. Wenn die elektromagnetische Komponente eines Luftschauers detektiert
wird, kann darauf geschlossen werden, dass gleichzeig auch Myonen ankommen.
Diese Myonen können IceCube erreichen, ohne vorher zu wechselwirken. Man kann sie
2 Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben
7

2 RADIOSIGNALE AUS LUFTSCHAUERN
Abbildung 2.3: Synchrotronstrahlung, die durch den Drift geladener, relativistischer Teilchen
im Erdmagnetfeld ensteht [3].
8

2.4 RASTA
mit Myonen, die bei Neutrinoereignissen gebildet werden, nicht unterscheiden. Aus diesem
Grund ist der IceCube-Detektor auf die nördliche Hemisphäre sensitiver, da Myonen
von der Erde abgeschirmt werden, während man bei abwärtslaufenden Myonen aus der
südlichen Hemisphäre Selektionsaufwand betreiben muss. Im Gegensatz zu anderen antennenbasierten
Detektorarrays hätte RASTA den Vorteil, dass am Südpol ein Minimum
an zivilisatorischen Einflüssen im beobachteten Frequenzbereich herrscht. Maximal CB-
Funk und Flugzeuge stören mit ihren Signalen die Detektion [18, 19].
9

2 RADIOSIGNALE AUS LUFTSCHAUERN
10

KAPITEL III
Messaufbau und Methodik
3.1 Funktionsweise von Dipolantennen
Die in dieser Arbeit verwendeten Antennen sind allesamt Dipolantennen. Diese bestehen
aus zwei gleichen elektrischen Leitern, die von der Mitte der Antenne, dem Fußpunkt,
voneinander weg zeigen [15].
Elektromagnetische Signale können empfangen werden, indem sie in den Leitern eine
Spannung induzieren. Die Antenne empfängt am besten, wenn die E-Feldlinien parallel
und die B-Feldlinien senkrecht zu den Leitern stehen. Das Sendeverhalten ist dem
Empfangsverhalten ähnlich. Sende- und Empfangsantenne haben die gleichen charakteristischen
Eigenschaften und können immer für beide Funktionen verwendet werden. Am
Fußpunkt kann also Spannung eingespeist oder abgegriffen werden, um zu senden bzw.
zu empfangen [4].
3.2 Messaufbau
Ein Holzgerüst, angefertigt von der mechanischen Werkstatt des 3. Physikalischen Instituts
B, wurde in unterschiedlichen Konfigurationen mit Maschendraht bespannt. Holz
eignet sich, da es das Leitungsverhalten des eigentlichen Antennenmatrial nicht beeinflusst
und es auch in der Kälte der Antarktis nicht spröde wird.
Zwischen Fußpunkt und den Holzstreben ist der Draht der Einfachheit halber aber mit
Kupferkabeln verbunden. Der Maschendraht besitzt verschiedene Vorteile. So sind bei
optimaler Montage die Maschen des Drahtes so angeordnet, dass es viele Drahtstücke in
Richtung der Antennenarme gibt. Außerdem ist Maschendraht in dem bei diesem Experiment
benutzten Umfang sehr leicht, was einem möglichen Transport zum Südpol zu Gute
käme. Dennoch ist es genügend leitend. Die Maschen der Drahtes sind so klein, dass der
zu untersuchende Radiobereich (bis max. 300 MHz) mit Wellenlängen größer als 100 cm
so groß ist, dass der Draht wie eine geschlossene Röhre auf die Radiosignale wirkt.
Der Antennenprototyp wird im Folgenden als „Rabbit“ 3 -Antenne bezeichnet.
Im Rahmen dieser Arbeit sind zwei stark unterschiedliche Messreihen durchgeführt worden.
Zum einen wurde die Prototypantenne im Freien auf einen Grasboden mit lehmigen
3 Der Antennenprototyp wurde „Rabbit“ getauft, da der Maschendraht geläufig unter Kaninchendraht
bekannt ist, da man mit ihm häufig Kaninchenkäfige baut. Das Innere der Antenne ähnelt auch einem
Käfig.
11

3 MESSAUFBAU UND METHODIK
Abbildung 3.1: Die Prototypantenne im Ganzen mit Abmessungen von 360 cm x 64 cm x
64 cm. Dieses Bild zeigt die Konfiguration, bei der der Draht um beide Antennenarme
gewickelt wurde.
12

3.3 Messtechnik
Untergrund gelegt, im Folgenden „Bodenmessungen“ genannt. Dabei wurde die verwendete
Sendeantenne für die Transmissionsmessungen in einem festdefinierten Abstand auf
den gleichen Boden gelegt. Der Sender, zu sehen in Abbildung 3.2, war stets die „1-cm-
ARA-Oberflächenantenne“, die ebenfalls am Institut gebaut worden ist. Sie besteht auch
aus einem Holzgerüst, die Antennenarme sind aber durch Kupferrohre mit einem Durchmesser
von 1 cm (6 auf jeder Seite), welche bis zum Fußpunkt reichen, realisiert.
Bei den „Kranmessungen“, der zweiten Testreihe, bei der die Empfangsantenne mittels
eines Baukrans in die Höhe gezogen wurde, wurde als Sendeantenne ein kalibrierter Dipol
der Firma Schwarzbeck [16] benutzt. Dieser wurde für den Versuch von der Auger-
Arbeitsgruppe des III. Physikalischen Instituts A zur Verfügung gestellt.
Durch die Messungen in der Luft sollen die störenden Effekte des Lehmbodens verringert
werden. Dieser beeinflusst die Messungen enorm, wie in den nachfolgenden Abschnitten
zu sehen ist.
Um die Übersichtlichkeit zu bewahren, werden die Konfigurationen der getesteten Antenne
mit Kürzel versehen:
Modell A1: Die Arme der Rabbit-Antenne wurden mit dem Maschendraht umwickelt.
Abbildung 3.1 zeigt das Modell auf Wiesenboden. Die Enden des Drahtes standen
dabei über und wurden nur zurückgebogen, wie Abbildung 3.3 zeigt.
Modell A2: Die überstehenden Enden von A1 wurden abgeschnitten.
Modell A3: Modell A2 wurde mit Endkappen versehen, zu sehen in Abbildung 3.4.
Modell B1: Hier wurden nicht beide Antennenarme umwickelt sondern nur die einzelnen
Streben am Antennenarm; aber auch nur jede zweite, wie Abbildung 3.5 zeigt. An
den äußeren Enden wurde der Draht verzwirbelt.
Modell B2: Modell B1 wurde vervollständigt, indem der Rest der Streben auch mit Maschendraht
umwickelt wurde.
3.3 Messtechnik
Um zu überprüfen, wie gut eine Antenne empfängt ist es nützlich die Leistungstransmission
zwischen der zu überprüfenden Antenne und einer bekannten Sendeantenne zu
bestimmen. Um zu prüfen, wie groß der Signalverlust durch Reflektionen am Übergang
zwischen Fußpunkt und Kabel ist, wird zudem die Reflektion bestimmt. Ferner wurde
die Gruppenlaufzeit innerhalb einer Transmissionsmessung gemessen, da unterschiedliche
Frequenzen unterschiedliche Laufzeiten in der Antenne haben. Die Gruppenlaufzeit sollte
möglichst klein - in der Größenordnung von einigen 10 ns - sein, da das Signal sonst zu
stark verzerrt wird, was den Trigger der Daten beeinflusst.
Zur Messung wurde immer der Spektrumanalysator FSH4 der Firma Rohde&Schwarz [14]
13

3 MESSAUFBAU UND METHODIK
Abbildung 3.2: Die „1-cm-ARA-Oberflächenantenne“-Antenne wurde bei den Messungen der
Rabbit-Antenne am Boden als Sendeantenne benutzt. Sie besteht aus 6 Kupferrohren
pro Antennenarm.
14

3.3 Messtechnik
Abbildung 3.3: Als der Draht ganz um die Antennenarme gewickelt wurde, wurden die Enden
zuerst nur umgebogen anstatt abgeschnitten.
Abbildung 3.4: Mit Endkappen wurden weitere Änderungen erprobt. Eine Verbesserung ergab
dies jedoch nicht.
15

3 MESSAUFBAU UND METHODIK
Abbildung 3.5: Anstatt den ganzen Antennarm zu umwickeln wurden nur die einzelnen Streben
des Arms mit Maschendraht umwickelt. Verbesserungen im Empfang gab
es hierdurch nicht. Ein Vorteil dieses Modells ist, dass man die Streben schon
so vorbereitet verschicken kann und man beim Aufbau am Südpol nicht auch
den Draht wickeln müsste.
16

3.3 Messtechnik
verwendet. Jede Analyse ist eine Mittelung aus 20 einzelnen Messungen. Das Messgerät
kann ein Frequenzspektrum zwischen 100 kHz und 3,6 GHz aufnehmen. Über ein Koaxialkabel
wird das Signal zum Spektrumanalysator weiter geleitet.
Transmission ist hier der Quotient aus angekommener Leistung der Empfangsantenne und
eingespeister Leistung einer anderen Antenne (Sender). Das Leistungsreflektionsverhalten
des Senders gibt Aufschluss darüber, wie hoch der Anteil der Leistung ist, die in der
Antenne wieder zurück zur Spannungsquelle reflektiert wird und so nicht gesendet wird.
Hier wird der Quotient aus zurück erhaltene Leistung gegenüber der eingespeisten Leistung
angegeben. Genauso sagt die Leistungsreflektion des Empfängers aus, wie viel vom
ankommenden Signal nicht bis zu Messgerät kommt, sondern reflektiert wird.
Transmission und Reflektion werden in der Pseudoeinheit Dezibel [dB] angegeben. Das
ist eine logarithmische Einheit, die mit
bzw.
T ′ = 10 T/10
R ′ = 10 R/10
(3.1)
(3.2)
umgerechnet wird, sodass der eigentliche Wert einheitenlos ist. T bezeichnet die Transmission
und R die Reflektion. Die Transmission wird im Folgenden zur Übersicht weiter
in [dB] angezeigt, da Veränderungen klein aber nicht unrelevant sein können und man sie
ohne logarithmische Auftragung nicht erkennen könnte. Die Transmission kann bei einem
Antennenabstand R > 2D2
λ [4], theoretisch auch über die Friis-Formel berechnet werden:
PE
PS
= GEGS · ( λ
4πR )2 · (1 − RE)(1 − RS) (3.3)
Die Länge D ist die größte Dimension aus beiden Antennen und λ die Wellenlänge des
gesendeten Radiosignals. PE und PS bezeichnen die empfangene und gesendete Leistung,
GE und GS die Antennengewinne 4 und RE und RS die leistungsabhängigen Reflektionskoeffizienten
der Sende- und Empfangsantenne [4]. Die Friisformel ist vereinfacht für parallel
angeordnete Antennen und für ein verlustloses Medium zwischen den Antennen dargestellt
und gilt nur im Freiraum. Ansonsten verringert sich die Transmission.
4 auch als Gain bezeichnet, gibt an wie gut die Antenne in einer bestimmten Richtung im Vergleich zu
einem verlustlosen, isotropen Strahler sendet bzw. empfängt.
17

3 MESSAUFBAU UND METHODIK
18

KAPITEL IV
Messergebnisse
Zur Überprüfung der Qualität der Antennen wurden, wie im Absatz „Messtechnik“ beschrieben,
die Leistungsreflektion der Antennen bestimmt wie auch eine Transmission und
die Gruppenlaufzeiten.
4.1 Bodenmessungen
Empfangsantenne
Grasboden mit Lehmuntergrund
Abstand: 17 m
Sendeantenne
Abbildung 4.1: Skizze der Versuchsanordnung für die Bodenmessungen von der Seite der Antennen
Bei den Bodenmessungen lagen Sende- und Empfangsantenne stets auf Rasen, stets
parallel zueinander, um eine größtmögliche Transmission zu erzeugen und stets 17,0 m ±
0,2 m voneinander entfernt. Abbildung 4.1 zeigt den schematischen Aufbau. Zur Verfügung
standen ein etwa 20 m und ein etwa 5 m langes Koaxkabel, um die Antennen mit
dem Spektrumanalysator zu verbinden.
Um die Empfangseignung von Modell A2 zu demonstrieren, ist in Abbildung 4.2 ein Spektrum
der empfangenen Radiosignale aus der Umgebung bis zu 1 GHz aufgetragen. Man
erkennt deutlich den Bereich, in dem die FM-Radiosender senden (um die 100 MHz). Desweiteren
sind klar die DVB-T Frequenzen bei rund 500, 600 und 700 MHz sichtbar. Auch
19

4 MESSERGEBNISSE
kann man Handyanbieter mit ihrer Funkfrequenz (950 MHz) erkennen. In Abbildung 4.3
ist nochmal deutlich zu erkennen, wo welche Funkfrequenz liegt. Dieses Vergleichsspektrum
wurde auch in Aachen aufgenommen. In den Abbildungen 4.4 und 4.5 sind exemplarisch
eine Reflektionskurve und eine Transmissionskurve aus den Messungen von Modell
B1 aufgetragen. Je geringer die Reflektion ist, desto größer ist der Anteil des eingespeisten
Signals, der die Antenne nach außen verlässt und nicht wieder reflektiert wird. Eine geringe
Reflektion ist deshalb wünschenswert, genauso wie eine möglichst hohe Transmission,
da die Summe aus Transmissionkoeffizient und Reflektionskoeffizient gleich 1 ist.
Bei den Gruppenlaufzeit Messungen, exemplarisch für Modell B1 in Abbildung 4.6, wird
die Laufzeit zwischen Einspeisung und Empfang des Signals gemessen. Die Laufzeit des
Signals in der Luft muss also abgezogen werden, um beurteilen zu können, wie sich das
Signal in den Antennen verhält. Durch den Vergleich der Messungen untereinander kann
man erkennen, welches Antennenmodell viel oder wenig verzögert, da stets die selbe Sendeantenne
pro Messreihe verwendet wurde.
4.1.1 Reflektion
Abbildung 4.7 zeigt 3 Kurven für die Reflektionen der Antenne mit umwickelten Antennenarmen
(Modelle A1, A2, A3). Die Minima zeigen, wo sich die Impedanz des Kabels
an die Impedanz der Antenne annähert. Der Peak bei ca. 13 MHz zeigt die erste Resonanzfrequenz
des System aus einem Antennenarm und verbundenem Kabelmantel [18].
Weitere Ordnungen davon gehen im Rauschen unter.
Für Signale mit Frequenzen im einstelligen MHz-Bereich oder kleiner scheint die Prototypantenne
nicht geeignet.
Man sieht durch die vielen Störungen, dass abgeschnittene Enden des Drahtes den überlappenden
zu bevorzugen sind. Die Montage einer Endkappe scheint keine Veränderung
zu bewirken, stattdessen ist das Anbringen nur zusätzlicher Aufwand. Modell A2 wird
deshalb im Folgenden mit weiteren Modellen verglichen. Im weiteren Verlauf werden die
Messpunkte nur bis 300 MHz geplottet, da wie bereits erwähnt der relevante Teil des Frequenzspektrums
zwischen 0 und ca. 200 MHz liegt. Im Graph 4.8 ist zu erkennen, dass es
bei der Konfiguration mit 2 dicken Antennenarmen weniger Reflektionen gibt über den
gesamten Frequenzbereich als bei dem Modell mit jeder zweiten umwickelten Strebe. Beim
Modell B2 ist die Reflektionskurve ähnlich hoch wie bei Modell A1, hat aber einen nicht
so flachen Verlauf. Ein flacher Verlauf scheint aber von Vorteil, da das Empfangssignal
nicht so stark verzerrt wird wie bei kurvigen Verläufen.
Außerdem ist die Reflektionskurve des Modells APE zu sehen, das von Philipp Heimann
am selben Institut konstruiert wurde. Dabei wurde das selbe Holzgerüst verwendet wie
bei der Rabbit-Antenne. Die Streben wurden bei APE aber mit langen Kupferdrähten
bespannt, anstatt mit Maschendraht. Dieses Modell hat aber die vergleichsweise schlechteste
Reflektionskurve.
20

magnitude [dBm/MHz]
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-110
-120
0 200 400 600 800 1000
Frequenz [MHz]
4.1 Bodenmessungen
Abbildung 4.2: Spektrum der Radiountergrundstrahlung. Man erkennt deutlich die zivilisatorischen
Störungen, die aus dem Rauschniveau herausragen (Peaks).
Abbildung 4.3: Spektrum der Radiountergrundstrahlung, gemessen in Aachen. Die herausstehenden
Spitzen wurden den einzelnen Sendern von Markus Vehring zugeordnet
[19].
21

4 MESSERGEBNISSE
22
Leistungsreflektion
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.4: Reflektionskurve von Modell B1
Transmission [dB]
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.5: Transmissionskurve von Modell B1
Gruppenlaufzeit [ns]
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.6: Gruppenlaufzeit für Modell B1

Leistungsreflektion
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Modell A1
Modell A2
Modell A3
0
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
4.1 Bodenmessungen
Abbildung 4.7: Reflektionskurven für 3 unterschiedliche Konfigurationen der Rabbit-Antenne.
Die Antennenmodelle mit abgeschnittenen Enden haben störungsfreiere Reflektionskurven
Die Frequenzen, bei denen der Reflektionswert klein wird und gegen 0 geht sind die Resonanzfrequenzen
der Antenne. Dass die Reflektion bei einigen Messungen über 1 beginnt
ist wahrscheinlich ein Fehler in der Messtechnik, da nicht mehr reflektiert werden kann
als in die Antenne eingespeist wird.
Mit dem Vergleich der Reflektionskurve der 1-cm-ARA-Oberflächenantenne an jedem
Messtag der Bodenmessreihe, zu sehen in Abbildung 4.9, wird eine Messunsicherheit durch
die äußeren Bedingungen deutlich, die nur bei den Minima und Maxima deutlich werden
und bei ± 0,05 bis 100 MHz liegen und ab 100 MHz bei ± 0,02.
4.1.2 Transmission
Bei der Tranmissionsmessungen in Abbildung 4.11 und 4.12 sind einige Störsignale, verursacht
zum Beispiel durch FM-Radio, noch erkennbar. Die Transmissionsmessung geben
allerdings keinen Aufschluss über einen Antennenprototyp, der zu bevorzugen wäre. Sie
zeigen auch nicht den erwarteten Verlauf in Abbildung 4.10. Aus diesem Grund wurde
eine Messung der Antenne im Freiraum veranlasst, um bessere Bedingungen und somit
genauere Messungen zu erzielen.
Im Gegensatz zu den Kranmessungen, bei denen die Prototypantenne in die Luft gehoben
wurde, wurde bei den Bodenmessungen keine Rausch-Messungen aufgenommen. Rauschen
23

4 MESSERGEBNISSE
Leistungsreflektion
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Modell A2
Modell B1
Modell B2
Simulation der Rabbit-Antenne Modell A3
mit 1mm Abstand zum Boden
Modell APE
0
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.8: Reflektionskurven für 3 unterschiedliche Konfigurationen der Rabbit-Antenne
und für APE. Die Rabbit-Antenne ohne Endkappen und mit abgeschnittenen
Enden hat die geringsten Reflektionen. Außderdem ist eine durch Markus
Vehring simulierte Reflektionskurve zu sehen, bei der eine Maschendraht-
Dipolantenne ähnlich Modell A2 im Abstand von 4 mm zum Boden mit NEC4
simuliert wurde.
24

Leistungsreflektion
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Reflektionen der 1-cm-ARA-Antenne am 1.Messtag
Reflektionen der 1-cm-ARA-Antenne am 2.Messtag
Reflektionen der 1-cm-ARA-Antenne am 3.Messtag
Reflektionen der 1-cm-ARA-Antenne am 5.Messtag
Reflektionen der 1-cm-ARA-Antenne am 6.Messtag
0
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
4.2 Kranmessungen
Abbildung 4.9: Der Vergleich der Reflektionen der Sendeantenne aus jedem Messtag zeigt,
dass nur wenig Schwankung existiert. Allein zwischen 50 und 100 MHz gab es
am 5. Messtag eine deutliche Schwankung.
bezeichnet den Empfang einer Transmissionsmessung, ohne dass eine Sendeantenne am
Spektrumanalysator angeschlossen ist und deshalb nichts gesendet wird.
Die Auftragung der Laufzeiten für die unterschiedlichen Frequenzen ist in Abbildung 4.13
zu sehen. Die vielen großen Sprünge zwischen unterschiedlichen Laufzeiten kann an der
Bauart der Modelle oder an den Störungen durch Bodenreflektionen liegen. Ohne Vergleich
zu einem Modell A aus den Bodenmessungen kann das abschließend nicht geklärt
werden.
4.2 Kranmessungen
Bei den „Kranmessungen“, skizziert in Abbildung 4.14, wurde die Empfangsantenne zur
besseren Überprüfung ihrer Eigenschaften im Freiraum von einem Baukran 9,8 m ± 0,2 m
in die Luft gehoben, zu sehen in Abbildung 4.15. Die Sendeantenne wurde mittels aneindergebundenen
Holzstangen in einer Höhe von 4,3 m ± 0,2 m über den Erdboden gehalten,
wie man in Abbildung 4.16 sieht.
Die Empfangsantenne hatte dabei die ganze Zeit über den gleichen Aufbau, nämlich den,
der sich aufgrund der Bodenmessungen als der beste ergeben hat. Der Maschendraht wurde
also ganz um beide Antennenarme gewickelt, die Drahtenden waren nicht überlappend
und es gab keine Endkappen (Modell A2). Auch konnte durch Benutzung eines rund 60 m
25

4 MESSERGEBNISSE
Antennengewinn [dBi]
5
0
-5
-10
-15
-20
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.10: Das ist der simulierte, totale Antennengewinn der Rabbit-Antenne im Freiraum
in Richtung senkrecht zur Antennenachse. Die Minima zeigen die Modenwechsel
der Antenne.
Koaxialkabels eine größere Distanz zwischen beiden Antennen realisiert werden, umso
Nahfeldeffekte zu minimieren. Im Gegensatz zu den Messungen am Boden wurden bei
dieser Messreihe immer mehrere Male gemessen.
4.2.1 Reflektion
Die Reflektionsmessungen in Abbildung 4.17 zeigen gegenüber den gleichen Messungen
am Boden einen großen Unterschied im Rauschniveau. Das starke Rauschen kommt wahrscheinlich
durch Signalstörungen im langen Kabel zu Stande. Bei den Bodenmessungen
waren die Kabel wesentlich kürzer. Eine Mittelung der Daten, zu sehen in Abbildung 4.18
dämmt die Störung ein wenig ein. Der Trend ist dennoch erkennbar. Man sieht im Vergleich
der Messungen am Boden mit diesem Antennentyp einen generellen Zuwachs der
Reflektion. Der Boden hatte die Messdaten also schon merklich verfälscht. Die dazugezeichnete
Simulation der Rabbit-Antenne im Freiraum zeigt, dass wir uns näherungsweise
auch mit der echten Antenne im Freiraum befunden haben. Bei größer werdenen Frequenzen
stimmen die Kurven zwar nicht mehr gut überein, die Simulation dieses Antennentyps
ist aber auch nur grob vorgenommen worden. Die Segmentierung der Drähte, aus denen die
engen Maschen des Drahtes gebaut sind, wurde nicht so fein rekonstruiert, und auch das
Polyethylen, was als Isolation im Fußpunkt fungierte, konnte nicht mit simuliert werden.
26

Transmission [dB]
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
Modell A1
Modell A2
Modell A3
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
4.2 Kranmessungen
Abbildung 4.11: Der Vergleich der Transmissionen gibt keinen Aufschluss darüber, welcher
Prototyp geeigneter ist um Radiosignale zu empfangen. Die Kurve entspricht
nicht einer Überlagerungen der Antennengewinne von Sende- und Empfangsantenne.
Transmission [dB]
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
Modell A2
Modell B1
Modell B2
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.12: Der Transmissionsvergleich zwischen den Modellen A2, B1 und B2 bringt wie
der Vergleich in Abbildung 4.11 keine weiteren Erkenntnisse.
27

4 MESSERGEBNISSE
Gruppenlaufzeit [ns]
200
180
160
140
120
100
80
60
40
Gruppenlaufzeit des Modells B1
Gruppenlaufzeit des Modells B2
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.13: Die Auftragung der Laufzeiten gegenüber den Frequenzen zeigt, dass die
Modelle B1 und B2 zu große Verzögerungen aufweisen. Für die Modelle A1,
A2 und A3 wurde diese Messung nicht gemacht, weswegen sie hier nicht
verglichen werden können. Die Laufstrecke des Signals in der Luft wurde
herausgerechnet. Die häufig großen Sprünge zu unterschiedlichen Laufzeiten
können wegen des fehlenden Vergleichs zu Modell A entweder an den Modellen
selbst oder an den Störungen durch Bodenreflektionen liegen. Das kann
abschließend nicht beurteilt werden.
9,8 m
Empfangsantenne
Maximaler Abstand: 70 m
Sendeantenne
Abbildung 4.14: Skizze der Versuchsanordnung für die Kranmessungen von der Seite der Antennen.
Die Empfangsantenne hängt mit Gurten am Kranhaken.
28
4,3 m

4.2 Kranmessungen
Abbildung 4.15: Die Rabbit-Antenne wurde mit einem Kran rund 9.8 Meter in die Luft gehoben.
Mit zwei Seilen wurde sie in Position gehalten.
29

4 MESSERGEBNISSE
Abbildung 4.16: Die Sendeantenne wurde an lange Holzstreben befestigt und senkrecht zum
Boden aufgestellt.
30

Leistungsreflektion
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
4.2 Kranmessungen
Abbildung 4.17: Die übereinandergelegten Reflektionskurven zeigen alle einen ähnlichen
Trend aber große Schwankungen, was an Verlusten im langen Kabel liegt.
Deswegen wurden sie gemittelt, um einen besseren Vergleich mit der Simulation
zu bewerkstelligen.
4.2.2 Transmission
Auch hier existiert das durch das Kabel eingebrachte Rauschen der Daten. Die Rausch-
Messung wird gemittelt und im gleichen Graphen, Abbildung 4.19, wie die Transmissionsmessung
gezeigt. Man sieht, bei welchen Frequenzen ein Radiountergrund die Messung
beeinflusst.
Im Gegensatz zur Transmissionsmessung der Antennen am Boden, ist bei der Freiraummessung
ein Verlauf mit weniger Störungen sichtbar. Alle 120 MHz ist ein lokales Minimum
in der Transmission zu sehen. Das liegt am Wechsel zu höheren Moden der Empfangsantenne.
Bei den Bodenmessungen konnte das noch nicht beobachtet werden. Man kann
also davon ausgehen, dass Bodenreflektionen die Messung stark verfälschen.
Man sieht sehr gut, dass der Graph eine Überlagerung aus den Moden der Sende- und
Empfangsantenne ist. Für die Sendeantenne ist die Kurve für den Antennengewinn im
Datenblatt im Anhang zu sehen. Zwar ist dort nur der Gewinn für Antennenabstände von
1 bzw. 3 m gezeigt. Der Trend der Kurve ändert sich aber bei größeren Abständen nicht.
Hier erkennt man, dass die Antenne erst zwischen 60 und 80 MHz volle Sendeleistung
erreicht, wie auch die gemessene Antenne in Graph 4.19. Die Simulation der Empfangsantenne
zeigt in Abbildung 4.10 ein Gewinn-Minimum bei 120 MHz; der Graph ebenfalls.
Die Transmission bei der Kranmessung hat ihr höchstes Maxima bei -45 dB. Bei der Bo-
31

4 MESSERGEBNISSE
Leistungsreflektion
1
0.8
0.6
0.4
0.2
gemittelte Reflektionen
Simulation der Rabbit-Antenne im Freiraum
0
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.18: 4 Refkletionskurven wurden gemittelt. Die Simulation passt im niedrigen 3
stelligen Frequenzbereich sehr gut an die Kurve, weswegen davon auszugehen
ist, dass nahezu eine Freiraummessung erriecht worden ist. Bei höheren
Frequenzen kommen die Detailunterschiede zwischen Simulation und echter
Antenne stärker zum Tragen.
denmessung schwankt es zwischen -50 und -80 dB. Die Gruppenlaufzeit ist in Abbildung
4.20 gezeigt. Man sieht deutlich, dass externe Signale die Messung stören. Der Bereich
zwischen 30 und 90 MHz und zwischen 115 und ca. 200 MHz in Abbildung 4.21 zeigt
aber, dass die Laufzeiten im akzeptablen 2-stelligen Nanosekundenbereich schwanken. Im
ersten Bereich schwanken sie um 10 ns und im zweiten um 0 ns. Die Obergrenze für die
Laufzeitverzögerung liegt bei ca. 15 ns, wenn man eine Antennenarmlänge von ca. 2 m bei
Rabbit und 0,66 m bei der Sendeantenne und eine Übertragungsgeschwindigkeit im Draht
von ca. 0,6 c vorraussetzt. Neben den Transmissionmessungen im Abstand von 70 Metern
sind weitere Messungen in kürzeren Abständen aufgenommen worden. In Abbildung
4.22 ist gut zu erkennen, dass die Transmission stärker wird, je näher sich die Antennen
zueinander befinden. Ab einer Frequenz von ca 40 MHz ist diese Ordnung allerdings nicht
mehr gegeben. Hier kommen Störungen durch Reflektionen am Boden dazu, die eine reine
Transmission durch die Luft verfälschen.
32

4.3 Fehlerquellen
4.3 Fehlerquellen
Es gibt einige systematische Fehlerquellen, die beachtet werden müssen. Die Abstandsmessung
zwischen den Antennen für die Transmissionsmessungen hat eine abgeschätzte
Unsicherheit von 2%.
Die Signalübertragung durch die Antennenarme und die Kabel bis zum Messgerät hat
ebenso Ungenauigkeiten.
Auch ist zu beachten, dass die Messungen an unterschiedlichen Tagen mit unterschiedlichem
Wetter gemacht wurden. Der Boden ändert seine Permittivität bei Nässe. Durch
die Nähe zum Boden ändert sich damit auch die Impedanz des Fußpunktes.
Dazu stehen in der Nähe der Messflächen Gebäude, Laternen, Bäume, Autos, etc., die
keine Freiraummessung zulassen. Qualitativ wurden diese Effekte zwar verglichen. Den
quantitativen Effekt dieser Störungen vom Boden und der Umgebung zu bestimmen ist
für den Umfang dieser Arbeit aber zu aufwendig.
33

4 MESSERGEBNISSE
Noise/Transmission [dB]
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
Transmission mit 70 m Antennenabstand
Radiountergrund
-100
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.19: Die Rauschmessungen wurden mit der gemittelten Messung der Transmission
aufgetragen. Man erkennt deutlich die Modenwechsel der Empfangsantenne
bei 120 und 240 MHz. Vor 40 MHz und nach 240 MHz wird die Messung
durch zu viele Störungen unbrauchbar. Die Leistung der Sendeantenne ist
auch nur zwischen diesen Bereichen gut. Davor und danach fällt sie stark ab
(siehe Anhang). An der Rauschmessung kann man erkennen, dass selbst ohne
Sender trotzdem noch viel empfangen wird (besonders um 100 MHz), was am
zivilisatorischen Radiountergrund liegt. Siehe auch Abbildung 4.2. Im Bereich
zwischen 25 MHz und 230 MHz ist ein deutlicher Unterschied zwischen dem
Rauschniveau des Spektrumanalysators und der empfangenen Transmission
sichtbar.
34

Gruppenlaufzeit [ns]
200
0
-200
-400
-600
-800
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
4.3 Fehlerquellen
Abbildung 4.20: Um zu überprüfen, ob sich die Laufzeiten in der Antenne unterschiedlich
verhalten, ist hier die Gruppenlaufzeit geplottet. Die Zeit, die das Signal in
der Luft zurücklegt, ist schon herausgerechnet. Hier wurde aus 4 Messungen
gemittelt.
Gruppenlaufzeit [ns]
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.21: Die Vergrößerung von Abbildung 4.20 zeigt Schwankungen um 15 bzw 0 ns
im Bereich zwischen 30 und 90 MHz und zwischen 115 und ca. 200 MHz.
Im Bereich anderer Frequenzen ist die Messung durch externe Radiosignale
gestört.
35

4 MESSERGEBNISSE
Transmission [dB]
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
10 m Abstand
20 m Abstand
30 m Abstand
40 m Abstand
50 m Abstand
60 m Abstand
70 m Abstand
0 50 100 150 200 250 300
Frequenz [MHz]
Abbildung 4.22: An der Auftragung aller Transmissionskurven zu den horizontalen Antennenabständen
kann man gut erkennen, wie die Transmission anwächst, je näher
sich die Antennen kommen. Zumindest am Anfang; danach ändert sich die
Ordnung durch Bodenreflektionen und andere Störungen.
36

5.1 Ergebnisse
KAPITEL V
Zusammenfassung und Ausblick
Wie schon im vorigen Kapitel beschrieben, scheint eine Dipolantenne mit Maschendraht,
der um beide Antennenarme gewickelt wurde (Modell A2 und A3), die effektivste Bauart
meiner Modelle zu sein um ausgedehnte Luftschauer zu detektieren. Die Antennenreflektionen
bleiben im Intervall von 10 bis 300 MHz unter einem Wert von 0,5, sowohl in
den Boden- als auch den Freiraummessungen. Außerdem existieren weniger Zacken in
der Kurve, die noch zu sehen waren, als nicht abgeschnittene Enden des Maschendrahtes
überstanden (Modell A1). An der Reflektion zeigt sich auch, dass Modell B1 und B2
schlechtere Voraussetzungen für einen Prototypen zeigen.
Die Transmissionsmessung der Freiraummessung hat den erwarteten, simulierten Verlauf
bestätigt. Es ist die Überlagerung aus den Antenngewinnen der Sende- und Empfangsantenne.
Die Gruppenlaufzeitverzögerungen lagen bei den Freiraummessungen im vertretbaren Bereich
von einigen 10 ns.
An der Freiraummessung konnte man außerdem erkennen, wie viel die Umgebung, besonders
der Boden mit seinen Reflektionen, die Messungen verfälscht. Darauf ist bei künftigen
Messungen zu achten.
Neben den guten physikalischen Eigenschaften bietet der Prototyp durch seine Leichtigkeit
und Einfachheit im Auf- und Abbau den Vorteil kostengünstig transportiert zu werden.
5.2 Offene Punkte
Für zukünftige Prototypen ist darauf zu achten einen einfachen Aufbau zu gewährleisten,
der wegen der Kälte am Südpol auch mit Handschuhen zu bewerkstelligen ist. Die
Antennen müssen stabil im Eis liegen können und dürfen nicht durch Schneefahrzeuge,
die über das Eis oberhalb der Antennen fahren, kaputt gehen. Außerdem muss überlegt
werden, welche Elektronik für die Antennen zum Einsatz kommen soll, gerade was die
Impedanzanpassung zwischen Leitung und Antenne angeht. Aus dem ARA 5 -Projekt [5]
kann hier Hilfeleistung gestellt werden, denn es ist besonders auf die tiefe Temperatur zu
5 Das Askaryan Radio Array (ARA) ist ein am Südpol installierter Detektor zum Nachweis von hochenergetischen
Neutrinos mittels Radiosignalen
37

5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
achten, die in der Antarktis herrscht.
Es könnten außerdem weitere Materialien anstelle von Maschendraht getestet werden. Die
Verbindungen zwischen Fußpunkt und Antennenarme, die bei in diesem Experiment noch
mit einzelnen Kupferdrähten realisiert wurden, könnten ebenfalls überdacht und verändert
werden. Sie sollten am besten durch das gleiche Material, das für die Arme verwendet
wird, ersetzt werden.
38

ANHANG A
Datenblatt zur Schwarzbeck Antenne
39

SCHWARZBECK MESS - ELEKTRONIK
An der Klinge 29 D-69250 Schönau Tel.: 06228/1001 Fax.: (49)6228/1003
VHBB 9124 4:1 Balun mit Bikonus-Elementen BBAL 9136
VHBB 9124 4:1 Balun with Biconical Elements BBAL 9136
Frequenz Abstand Wellenlänge Dämpfung Isotrop- Gewinn üb. Antennengewinn
Dipol Faktor
Frequency Distance lambda Attenuat. Gain Gain, Ant.-Fctr.
(Isotr) dipole
MHz m m dB dBi dBd dB/m
20.00 4.00 15.00 43.40 -16.45 -18.60 12.69
25.00 4.00 12.00 35.50 -11.53 -13.68 9.71
30.00 4.00 10.00 30.35 -8.16 -10.31 7.92
35.00 4.00 8.57 26.40 -5.52 -7.67 6.62
40.00 4.00 7.50 24.00 -3.74 -5.89 6.00
50.00 4.00 6.00 20.34 -0.94 -3.09 5.14
60.00 4.00 5.00 20.58 -0.27 -2.42 6.05
70.00 4.00 4.29 20.10 0.64 -1.51 6.48
80.00 4.00 3.75 20.90 0.82 -1.33 7.46
90.00 4.00 3.33 21.40 1.08 -1.07 8.22
100.00 4.00 3.00 21.74 1.37 -0.78 8.85
110.00 4.00 2.73 21.97 1.67 -0.48 9.38
120.00 4.00 2.50 22.85 1.61 -0.54 10.19
125.00 4.00 2.40 22.87 1.78 -0.37 10.38
130.00 4.00 2.31 23.17 1.80 -0.35 10.70
140.00 4.00 2.14 23.23 2.09 -0.06 11.05
150.00 4.00 2.00 24.00 2.00 -0.15 11.74
160.00 4.00 1.88 24.80 1.88 -0.27 12.42
170.00 4.00 1.76 25.20 1.95 -0.20 12.88
175.00 4.00 1.71 25.80 1.77 -0.38 13.31
180.00 4.00 1.67 26.40 1.60 -0.56 13.73
190.00 4.00 1.58 30.20 -0.07 -2.22 15.87
200.00 4.00 1.50 29.30 0.60 -1.55 15.64
225.00 4.00 1.33 37.20 -2.84 -4.99 20.10
250.00 4.00 1.20 42.00 -4.78 -6.93 22.96
Technische Daten: VHBB 9124
BBAL 9136
Specifications:
Frequenzbereich: 20-200 MHz Frequency range:
Anschluss: 50 Ω N Connector:
Elementlänge LE mit BBAL 9136: 1.94 m Element length LE with BBAL 9136:
Länge / Durchmesser der Halterung: 0.58 m / 22 mm Holder length / diameter:
Elementaufnahme: 10 mm Element fixture:
Gewicht des Halters / Balun: 0.9 kg Holder / balun weight:
Gewicht eines Elements: 0.75 kg Weight of one element:

Isotropic Gain [dBi]
Antenna Factor [dB/m]
5
0
-5
-10
-15
SCHWARZBECK MESS - ELEKTRONIK
An der Klinge 29 D-69250 Schönau Tel.: 06228/1001 Fax.: (49)6228/1003
VHBB 9124 4:1 Balun mit Bikonus-Elementen BBAL 9136
VHBB 9124 4:1 Balun with Biconical Elements BBAL 9136
Isotropgewinn [dBi]
VHBB 9124 + BBAL 9136
-20
20 30
50 100
Frequency [MHz]
200 300
25
20
15
10
Antennenfaktor [dB/m]
VHBB 9124 + BBAL 9136
5
20 30
50 100
Frequency [MHz]
200 300

SCHWARZBECK MESS - ELEKTRONIK
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VHBB 9124 4:1 Balun mit Bikonus-Elementen BBAL 9136
VHBB 9124 4:1 Balun with Biconical Elements BBAL 9136
Frequency Distance Wavelength Attenuation Gain(Isotr.) Gain(Dipole) Ant.-Factor
Frequenz Abstand Wellen- Dämpfung Isotrop- Gewinn über Ant.-Wandlängegewinn
Dipol lungsmaß
MHz m m dB dBi dBd dB/m
25.00 1.00 12.00 19.43 -9.51 -11.67 7.69
27.50 1.00 10.91 19.34 -9.06 -11.21 8.06
30.00 1.00 10.00 19.06 -8.54 -10.69 8.30
32.50 1.00 9.23 18.40 -7.86 -10.01 8.31
35.00 1.00 8.57 17.88 -7.28 -9.43 8.38
37.50 1.00 8.00 16.97 -6.52 -8.67 8.22
40.00 1.00 7.50 16.12 -5.82 -7.97 8.08
42.50 1.00 7.06 15.00 -4.99 -7.14 7.78
45.00 1.00 6.67 14.23 -4.36 -6.51 7.65
47.50 1.00 6.32 13.48 -3.75 -5.90 7.50
50.00 1.00 6.00 13.01 -3.29 -5.44 7.49
52.50 1.00 5.71 12.72 -2.93 -5.08 7.56
55.00 1.00 5.45 12.44 -2.59 -4.75 7.62
57.50 1.00 5.22 12.13 -2.24 -4.40 7.66
60.00 1.00 5.00 11.90 -1.95 -4.10 7.73
62.50 1.00 4.80 11.61 -1.62 -3.77 7.76
65.00 1.00 4.62 11.49 -1.39 -3.54 7.87
67.50 1.00 4.44 11.45 -1.21 -3.36 8.02
70.00 1.00 4.29 11.52 -1.09 -3.24 8.21
72.50 1.00 4.14 11.34 -0.84 -2.99 8.27
75.00 1.00 4.00 11.44 -0.75 -2.90 8.47
77.50 1.00 3.87 11.80 -0.78 -2.93 8.79
80.00 1.00 3.75 11.97 -0.73 -2.88 9.01
82.50 1.00 3.64 12.08 -0.65 -2.80 9.20
85.00 1.00 3.53 12.22 -0.59 -2.74 9.40
87.50 1.00 3.43 12.54 -0.63 -2.78 9.69
90.00 1.00 3.33 12.76 -0.62 -2.77 9.92
92.50 1.00 3.24 12.89 -0.56 -2.71 10.10
95.00 1.00 3.16 12.97 -0.48 -2.64 10.26
97.50 1.00 3.08 13.34 -0.55 -2.70 10.55
100.00 1.00 3.00 13.47 -0.51 -2.66 10.73
105.00 1.00 2.86 13.74 -0.43 -2.58 11.08
110.00 1.00 2.73 14.21 -0.47 -2.62 11.51
115.00 1.00 2.61 14.73 -0.53 -2.68 11.97
120.00 1.00 2.50 15.03 -0.50 -2.65 12.30
125.00 1.00 2.40 15.36 -0.49 -2.64 12.65
130.00 1.00 2.31 15.47 -0.37 -2.52 12.87
135.00 1.00 2.22 15.66 -0.30 -2.45 13.13
140.00 1.00 2.14 15.65 -0.14 -2.29 13.28
145.00 1.00 2.07 15.83 -0.08 -2.23 13.52
150.00 1.00 2.00 16.61 -0.32 -2.47 14.06
155.00 1.00 1.94 16.58 -0.16 -2.31 14.19
160.00 1.00 1.88 16.72 -0.09 -2.24 14.39
165.00 1.00 1.82 17.26 -0.23 -2.38 14.80
170.00 1.00 1.76 17.54 -0.24 -2.39 15.07
175.00 1.00 1.71 17.66 -0.17 -2.32 15.25
180.00 1.00 1.67 18.19 -0.32 -2.47 15.64
185.00 1.00 1.62 18.64 -0.42 -2.57 15.99
190.00 1.00 1.58 20.20 -1.09 -3.24 16.88
195.00 1.00 1.54 20.38 -1.06 -3.21 17.08
200.00 1.00 1.50 20.62 -1.08 -3.23 17.32

SCHWARZBECK MESS - ELEKTRONIK
An der Klinge 29 D-69250 Schönau Tel.: 06228/1001 Fax.: (49)6228/1003
VHBB 9124 4:1 Balun mit Bikonus-Elementen BBAL 9136
VHBB 9124 4:1 Balun with Biconical Elements BBAL 9136
Frequency Distance Wavelength Attenuation Gain(Isotr.) Gain(Dipole) Ant.-Factor
Frequenz Abstand Wellen- Dämpfung Isotrop- Gewinn über Ant.-Wandlängegewinn
Dipol lungsmaß
MHz m m dB dBi dBd dB/m
210.00 1.00 1.43 22.81 -1.96 -4.11 18.62
220.00 1.00 1.36 25.17 -2.94 -5.09 20.00
Isotropic Gain [dBi]
Antenna Factor [dB/m]
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
VHBB 9124 + BBAL 9136
Messentfernung: 1 m
Distance: 1 m
-10
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Frequency [MHz]
20
18
16
14
12
10
8
VHBB 9124 + BBAL 9136
Messentfernung: 1 m
Distance: 1 m
6
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Frequency [MHz]

SCHWARZBECK MESS - ELEKTRONIK
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Frequency Distance Wavelength Attenuation Gain(Isotr.) Gain(Dipole) Ant.-Factor
Frequenz Abstand Wellen- Dämpfung Isotrop- Gewinn über Ant.-Wandlängegewinn
Dipol lungsmaß
MHz m m dB dBi dBd dB/m
25.00 3.00 12.00 32.00 -11.03 -13.18 9.21
27.50 3.00 10.91 30.61 -9.92 -12.07 8.93
30.00 3.00 10.00 28.91 -8.69 -10.84 8.46
32.50 3.00 9.23 26.10 -6.94 -9.09 7.40
35.00 3.00 8.57 24.82 -5.98 -8.13 7.08
37.50 3.00 8.00 23.49 -5.01 -7.16 6.71
40.00 3.00 7.50 22.38 -4.18 -6.33 6.44
42.50 3.00 7.06 21.21 -3.33 -5.48 6.12
45.00 3.00 6.67 20.41 -2.68 -4.83 5.96
47.50 3.00 6.32 19.53 -2.00 -4.16 5.76
50.00 3.00 6.00 18.95 -1.49 -3.65 5.69
52.50 3.00 5.71 18.56 -1.09 -3.24 5.71
55.00 3.00 5.45 18.39 -0.80 -2.95 5.82
57.50 3.00 5.22 17.97 -0.39 -2.54 5.81
60.00 3.00 5.00 17.95 -0.20 -2.35 5.98
62.50 3.00 4.80 17.88 0.01 -2.14 6.13
65.00 3.00 4.62 18.00 0.12 -2.03 6.35
67.50 3.00 4.44 18.16 0.21 -1.94 6.60
70.00 3.00 4.29 18.32 0.29 -1.86 6.84
72.50 3.00 4.14 18.54 0.33 -1.82 7.10
75.00 3.00 4.00 18.12 0.68 -1.47 7.04
77.50 3.00 3.87 18.00 0.88 -1.27 7.12
80.00 3.00 3.75 18.51 0.77 -1.38 7.51
82.50 3.00 3.64 18.94 0.69 -1.46 7.86
85.00 3.00 3.53 18.88 0.85 -1.31 7.96
87.50 3.00 3.43 18.95 0.94 -1.21 8.12
90.00 3.00 3.33 19.02 1.03 -1.12 8.28
92.50 3.00 3.24 19.18 1.07 -1.08 8.48
95.00 3.00 3.16 19.61 0.97 -1.18 8.81
97.50 3.00 3.08 19.72 1.03 -1.13 8.97
100.00 3.00 3.00 19.87 1.06 -1.09 9.16
105.00 3.00 2.86 20.12 1.15 -1.00 9.50
110.00 3.00 2.73 20.32 1.25 -0.90 9.80
115.00 3.00 2.61 20.62 1.29 -0.86 10.14
120.00 3.00 2.50 20.86 1.35 -0.80 10.45
125.00 3.00 2.40 21.39 1.27 -0.88 10.89
130.00 3.00 2.31 21.79 1.24 -0.91 11.26
135.00 3.00 2.22 21.87 1.36 -0.79 11.47
140.00 3.00 2.14 22.31 1.30 -0.85 11.84
145.00 3.00 2.07 22.10 1.56 -0.59 11.89
150.00 3.00 2.00 22.71 1.40 -0.75 12.34
155.00 3.00 1.94 22.73 1.53 -0.62 12.50
160.00 3.00 1.88 23.15 1.46 -0.69 12.84
165.00 3.00 1.82 23.51 1.41 -0.74 13.16
170.00 3.00 1.76 23.96 1.32 -0.83 13.51
175.00 3.00 1.71 24.25 1.30 -0.85 13.78
180.00 3.00 1.67 24.66 1.22 -0.93 14.11
185.00 3.00 1.62 25.17 1.08 -1.07 14.49
190.00 3.00 1.58 26.45 0.56 -1.60 15.24
195.00 3.00 1.54 26.83 0.48 -1.67 15.54
200.00 3.00 1.50 28.26 -0.12 -2.28 16.36

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VHBB 9124 4:1 Balun mit Bikonus-Elementen BBAL 9136
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Frequency Distance Wavelength Attenuation Gain(Isotr.) Gain(Dipole) Ant.-Factor
Frequenz Abstand Wellen- Dämpfung Isotrop- Gewinn über Ant.-Wandlängegewinn
Dipol lungsmaß
MHz m m dB dBi dBd dB/m
210.00 3.00 1.43 31.01 -1.29 -3.44 17.95
220.00 3.00 1.36 32.33 -1.75 -3.90 18.82
Isotropic Gain [dBi]
Antenna Factor [dB/m]
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
VHBB 9124 + BBAL 9136
Messentfernung: 3 m
Distance: 3 m
-12
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Frequency [MHz]
20
18
16
14
12
10
8
6
VHBB 9124 + BBAL 9136
Messentfernung: 3 m
Distance: 3 m
4
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Frequency [MHz]

SWR
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
30
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VHBB 9124 + BBAL 9136
'9136259v.swr'
50 100 150
Frequency [MHz]
200 250

Literatur
[1] IceCube Gallery. 2012. Website, Available online at http://gallery.icecube.
wisc.edu.
[2] Otto Claus Allkofer. Introduction to cosmic radiation. Verlag Carl Thiemig, München.
[3] Jan Auffenberg. On a prototype detector for the radio emission from air showers at
the South Pole. PhD thesis, Bergische Universität Wuppertal, 2010.
[4] Constantine A. Balanis. Antenna Theory - Analysis and Design. John Wiley & Sons,
Inc., Hoboken, US, 3rd edition, 2005.
[5] ARA Collaboration. Design and Initial Performance of the Askaryan Radio Array
Prototype EeV Neutrino Detector at the South Pole, 2011. http://arxiv.org/abs/
1105.2854.
[6] K. Nakamura et al. (Particle Data Group). J. Phys. G, 37:075021, 2010.
[7] J. Beringer et al. (Particle Data Group) (Cosmic Rays Review). Phys. Rev. D,
86:010001, 2012.
[8] D.F. Cowen for the IceCube Collaboration. Neutrino physics with IceCube. IOPscience,
2008. Available online at http://iopscience.iop.org/1742-6596/110/6/
062005.
[9] Thomas K. Gaisser. Cosmic Rays and Particle Physics. Cambridge University Press,
January 1991.
[10] F. Halzen and S. R. Klein. Invited Review Article: IceCube: An instrument for
neutrino astronomy. Review of Scientific Instruments, 81(8):081101–+, August 2010.
[11] V. F. Hess. Über Beobachtungen der durchdringenden Strahlung bei sieben Freiballonfahrten.
Physik. Zeitschr., 13:1084, 1912. Available online at http://physik.
uibk.ac.at/hephy/Hess/homepage/Hess_paper01.html.
[12] V. F. Hess. Über den Ursprung der durchdringenden Strahlung. Physik. Zeitschr.,
14:610, 1913. Available online at http://physik.uibk.ac.at/hephy/Hess/
homepage/Hess_paper02.html.
[13] Hermann Kolanoski. Einführung in die Astroteilchenphysik, 2009. Website, Available
online at http://www-zeuthen.desy.de/~kolanosk/astro0910/skripte/astro.
pdf.
[14] Rohde & Schwarz. R&S FSH4/8 Handheld Spectrum Analyzer Operating Manual.
Available online at http://www.rohde-schwarz.de/file/FSH_Operating_Manual_
en_v1.50.pdf.
[15] Karl Rothammel and Alois Krischke. Antennenbuch. Franckh-Kosmos Verlags-GmbH
& Co., Stuttgart, DE, 10th edition, 1991.
I

Literatur
[16] Schwarzbeck Mess - Elektronik. VHBB 9124 4:1 Balun mit Bikonus-Elementen BBA
9106 - Datenblatt. Available online at http://www.schwarzbeck.de/Datenblatt/
k9124.pdf.
[17] Todor Stanev. High Eneregy Cosmic Rays. Springer Verlag, Chichester, UK, 2nd
edition, 2009.
[18] Markus Vehring. Private Kommunikation.
[19] Markus Vehring. Design Studies on the Detection of Air Showers with the Radio
Air Shower Test Array (RASTA) at the South Pole. PhD thesis, RWTH Aachen
University, Mai 2011.
II

Abbildungsverzeichnis
1.1 Schematische Darstellung des IceCubs-Experiments mit 5160 Photomultipliern
an 86 Strings in einem Kubikkilometer Eis. An der Oberfläche
oberhalb von IceCube ist IceTop zu sehen, ein Luftschauerdetektor mit
81 Stationen [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Teilchenfluss der kosmischen Strahlung in Abhängigkeit der Energie, gemessen
mit verschiedenen Luftschauerexperimenten. [6] . . . . . . . . . . . 4
2.2 Schematische Darstellung eines Luftschauers mit der elektromagnetischen
(links), der hadronischen (mitte) und der myonischen (rechts) Komponente.
Das „observing level“ beschreibt den Punkt, an dem der Schauer beobachtet
wird [2]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Synchrotronstrahlung, die durch den Drift geladener, relativistischer Teilchen
im Erdmagnetfeld ensteht [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1 Die Prototypantenne im Ganzen mit Abmessungen von 360 cm x 64 cm x
64 cm. Dieses Bild zeigt die Konfiguration, bei der der Draht um beide
Antennenarme gewickelt wurde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 Die „1-cm-ARA-Oberflächenantenne“-Antenne wurde bei den Messungen
der Rabbit-Antenne am Boden als Sendeantenne benutzt. Sie besteht aus
6 Kupferrohren pro Antennenarm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Als der Draht ganz um die Antennenarme gewickelt wurde, wurden die
Enden zuerst nur umgebogen anstatt abgeschnitten. . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 Mit Endkappen wurden weitere Änderungen erprobt. Eine Verbesserung
ergab dies jedoch nicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5 Anstatt den ganzen Antennarm zu umwickeln wurden nur die einzelnen
Streben des Arms mit Maschendraht umwickelt. Verbesserungen im Empfang
gab es hierdurch nicht. Ein Vorteil dieses Modells ist, dass man die
Streben schon so vorbereitet verschicken kann und man beim Aufbau am
Südpol nicht auch den Draht wickeln müsste. . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.1 Skizze der Versuchsanordnung für die Bodenmessungen von der Seite der
Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Spektrum der Radiountergrundstrahlung. Man erkennt deutlich die zivilisatorischen
Störungen, die aus dem Rauschniveau herausragen (Peaks). . . 21
4.3 Spektrum der Radiountergrundstrahlung, gemessen in Aachen. Die herausstehenden
Spitzen wurden den einzelnen Sendern von Markus Vehring
zugeordnet [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.4 Reflektionskurve von Modell B1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.5 Transmissionskurve von Modell B1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.6 Gruppenlaufzeit für Modell B1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
III

Abbildungsverzeichnis
IV
4.7 Reflektionskurven für 3 unterschiedliche Konfigurationen der Rabbit-Antenne.
Die Antennenmodelle mit abgeschnittenen Enden haben störungsfreiere Reflektionskurven
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.8 Reflektionskurven für 3 unterschiedliche Konfigurationen der Rabbit-Antenne
und für APE. Die Rabbit-Antenne ohne Endkappen und mit abgeschnittenen
Enden hat die geringsten Reflektionen. Außderdem ist eine durch Markus
Vehring simulierte Reflektionskurve zu sehen, bei der eine Maschendraht-
Dipolantenne ähnlich Modell A2 im Abstand von 4 mm zum Boden mit
NEC4 simuliert wurde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.9 Der Vergleich der Reflektionen der Sendeantenne aus jedem Messtag zeigt,
dass nur wenig Schwankung existiert. Allein zwischen 50 und 100 MHz gab
es am 5. Messtag eine deutliche Schwankung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.10 Das ist der simulierte, totale Antennengewinn der Rabbit-Antenne im Freiraum
in Richtung senkrecht zur Antennenachse. Die Minima zeigen die
Modenwechsel der Antenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.11 Der Vergleich der Transmissionen gibt keinen Aufschluss darüber, welcher
Prototyp geeigneter ist um Radiosignale zu empfangen. Die Kurve entspricht
nicht einer Überlagerungen der Antennengewinne von Sende- und
Empfangsantenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.12 Der Transmissionsvergleich zwischen den Modellen A2, B1 und B2 bringt
wie der Vergleich in Abbildung 4.11 keine weiteren Erkenntnisse. . . . . . 27
4.13 Die Auftragung der Laufzeiten gegenüber den Frequenzen zeigt, dass die
Modelle B1 und B2 zu große Verzögerungen aufweisen. Für die Modelle
A1, A2 und A3 wurde diese Messung nicht gemacht, weswegen sie hier
nicht verglichen werden können. Die Laufstrecke des Signals in der Luft
wurde herausgerechnet. Die häufig großen Sprünge zu unterschiedlichen
Laufzeiten können wegen des fehlenden Vergleichs zu Modell A entweder
an den Modellen selbst oder an den Störungen durch Bodenreflektionen
liegen. Das kann abschließend nicht beurteilt werden. . . . . . . . . . . . . 28
4.14 Skizze der Versuchsanordnung für die Kranmessungen von der Seite der
Antennen. Die Empfangsantenne hängt mit Gurten am Kranhaken. . . . . 28
4.15 Die Rabbit-Antenne wurde mit einem Kran rund 9.8 Meter in die Luft
gehoben. Mit zwei Seilen wurde sie in Position gehalten. . . . . . . . . . . 29
4.16 Die Sendeantenne wurde an lange Holzstreben befestigt und senkrecht zum
Boden aufgestellt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.17 Die übereinandergelegten Reflektionskurven zeigen alle einen ähnlichen Trend
aber große Schwankungen, was an Verlusten im langen Kabel liegt. Deswegen
wurden sie gemittelt, um einen besseren Vergleich mit der Simulation
zu bewerkstelligen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Abbildungsverzeichnis
4.18 4 Refkletionskurven wurden gemittelt. Die Simulation passt im niedrigen 3
stelligen Frequenzbereich sehr gut an die Kurve, weswegen davon auszugehen
ist, dass nahezu eine Freiraummessung erriecht worden ist. Bei höheren
Frequenzen kommen die Detailunterschiede zwischen Simulation und echter
Antenne stärker zum Tragen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.19 Die Rauschmessungen wurden mit der gemittelten Messung der Transmission
aufgetragen. Man erkennt deutlich die Modenwechsel der Empfangsantenne
bei 120 und 240 MHz. Vor 40 MHz und nach 240 MHz wird die
Messung durch zu viele Störungen unbrauchbar. Die Leistung der Sendeantenne
ist auch nur zwischen diesen Bereichen gut. Davor und danach fällt
sie stark ab (siehe Anhang). An der Rauschmessung kann man erkennen,
dass selbst ohne Sender trotzdem noch viel empfangen wird (besonders um
100 MHz), was am zivilisatorischen Radiountergrund liegt. Siehe auch Abbildung
4.2. Im Bereich zwischen 25 MHz und 230 MHz ist ein deutlicher
Unterschied zwischen dem Rauschniveau des Spektrumanalysators und der
empfangenen Transmission sichtbar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.20 Um zu überprüfen, ob sich die Laufzeiten in der Antenne unterschiedlich
verhalten, ist hier die Gruppenlaufzeit geplottet. Die Zeit, die das Signal in
der Luft zurücklegt, ist schon herausgerechnet. Hier wurde aus 4 Messungen
gemittelt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.21 Die Vergrößerung von Abbildung 4.20 zeigt Schwankungen um 15 bzw 0 ns
im Bereich zwischen 30 und 90 MHz und zwischen 115 und ca. 200 MHz.
Im Bereich anderer Frequenzen ist die Messung durch externe Radiosignale
gestört. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.22 An der Auftragung aller Transmissionskurven zu den horizontalen Antennenabständen
kann man gut erkennen, wie die Transmission anwächst, je
näher sich die Antennen kommen. Zumindest am Anfang; danach ändert
sich die Ordnung durch Bodenreflektionen und andere Störungen. . . . . . 36
V

Abbildungsverzeichnis
VI

Danksagung
Zu aller erst bedanke ich mich bei Prof. Christopher Wiebusch für die Bereitstellung des
Themas und seine Betreuung.
Danke auch an Larissa Paul für das Korrekturlesen, die vielen Ermahnung schneller zu
arbeiten und an das Denken an all die Sachen, die ich immer vergessen habe.
Ein großer Dank geht an Philipp Heimann für seine Betreuung und seine menschliche
Art.
Danke natürlich auch an das gesamte IceCube-Team der RWTH Aachen. Es hat Spaß
gemacht in dieser netten Atmosphäre zu arbeiten. Besonderer Dank gilt hierbei Jan Blumenthal,
Simon Zierke, Anne Zilles, David Gier, Dirk Heinen und Markus Vehring.
Letzterem auch wegen seiner fachlichen Unterstützung und den angefertigten Simulationen.
Danke an die mechanischen Werkstatt des III. Physikalischen Instituts B unter der Leitung
von Herrn Jahn für ihre Arbeit.
Bedanken möchte ich mich auch herzlich bei der Auger-Arbeitsgruppe des III. Physikalischen
Instituts A, bei der Firma „Nesseler Grünzig“ und Herrn Stüben für die freundliche
Unterstützung beim „Kranexperiment“.
Großer Dank geht an Markus Drösser für die vielen Gespräche während des Essens und
in den Pausen, bei denen es mal nicht um Physik ging.
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Erklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keine anderen
als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.
Aachen, den 23. Juli 2012
Declaration
I hereby certify that this document has been composed by myself, and describes my own
work, unless otherwise acknowledged in the text.
Aachen, July the 23 rd , 2011
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