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Antennenformen

anonymous@undisclosed.example.com (Anonymous) — Fri, 29 Nov 2019 10:59:06 +0000

Antennenformen

Seit dem Beginn der Funktechnik in den 1890er-Jahren wurden zahllose Antennenformen entwickelt. Die einfachste Antenne, die häufig als Behelf UKW-Tunern als Wurfantenne beiliegt, ist der Dipol mit zwei Drähten. Die Funktion ist einleuchtend: Durch den im ungeschirmten Draht zu den Spitzen fließenden Strom entsteht ein Magnetfeld. An den Spitzen bauen sich Ladungen auf und erzeugen ein elektrisches Feld. Beides strahlt in den freien Raum. Allerdings sollte die Länge des Dipols auf die Wellenlänge abgestimmt sein. Der Dipol funktioniert nur in der Dimension der halben Wellenlänge gut, denn die Laufzeit im Draht und damit die Resonanzfrequenz muss zur Sendefrequenz passen. Eine genaue Feldberechnung würde den Rahmen dieses Artikels allerdings bei weitem sprengen.

Bei Antennen gilt als Faustregel, dass mechanisch größere Konstruktionen typischerweise den höheren Gewinn bringen. Der Dipol benötigt gegebenfalls am oder im Antennenfuß ein Bauteil (Balun), das seinen Wellenwiderstand an die Leitung anpasst und gegebenenfalls für eine Symmetrierung sorgt, denn der Dipol ist ein symmetrischer, Koax aber ein unsymmetrischer Leiter. Einfacher ist in der Tat der Anschluss eines simplen Antennenstabs, dessen Gegenpol die Erde ist, die Physik hat netterweise dessen Fußimpedanz mit ungefähr 40 Ohm in die Nähe der Impedanz der üblicherweise verwendeten 50-Ohm-Kabel gelegt, wenn dieser Stab eine Länge von einem Viertel der Wellenlänge hat.

Eine weitere Möglichkeit, das WLAN-Signal in die Luft zu bekommen, sind Patch-Antennen. Dabei handelt es sich um eine geeignet gespeiste rechteckige Fläche, den Patch, die sich vor einer großen Massefläche befindet. Mindestens eine Kantenlänge des Patches entspricht dabei der halben Wellenlänge, wobei sich durch die Wahl eines geeigneten Dielektrikums zwischen Patch und Massefläche die Länge verkürzen lässt. Derartige Antennen eignen sich besonders gut für den Aufbau auf Leiterkarten.

Braucht man eine noch stärkere Richtwirkung, die eine Einzelantenne allein nicht schafft, kann man über Koppelglieder auch mehrere Patch-Antennen zu Gruppen zusammenschalten. Durch die Interferenz der Wellen im freien Raum bildet sich eine Hauptkeule, auf die sich die Abstrahlung konzentriert, allerdings sind Nebenkeulen unvermeidbar. Je größer die Anzahl der Einzelantennen ist, umso größer ist die Richtwirkung und damit der Antennengewinn. Bei einem Stacked Array liegen beispielsweise mehrere Stabantennen übereinander.

Die Zusammenschaltung muss nicht unbedingt per Kabel erfolgen: Bei der Yagi-Uda-Antenne reichen in Richtung der Ausstrahlung angeordnete Stäbe, die im Grunde kurzgeschlossene Einzeldipole repräsentieren, welche die Welle führen. Hinter dem eigentlichen Empfangsdipol befindet sich noch ein Reflektor-Stab oder sogar ein Maschennetz. Die Yagi kommt häufig noch auf Hausdächern als Empfangsantenne für terrestrisches Fernsehen vor, sie wird aber auch gern für WLAN genutzt, weil es ein breites Angebot mit passender Wellenlänge im Amateurfunkfachhandel gibt.

Die beste Antenne nützt allerdings nichts, wenn sich zwischen Sender und Empfänger große Hindernisse befinden. Noch immer gilt beim Funk mit Frequenzen über 100 MHz: Richtfunk ist Sichtfunk, das sogenannte Fresnel-Ellipsoid – ein gedachter Football-ähnlicher Raum zwischen Sender und Empfänger – sollte möglichst frei sein. Dabei stören kleinere Hindernisse in der Mitte der Funkstrecke, wo das Ellipsoid die größte Weite aufweist, weniger als solche unmittelbar vor der Antenne.

PowerSplitter

anonymous@undisclosed.example.com (Anonymous) — Fri, 29 Nov 2019 10:59:08 +0000

PowerSplitter

Ein Antennen-Splitter (auch 3dB-Koppler, Anpasstopf, Combiner, Leistungsteiler genannt) wird verwendet um zwei, drei oder vier Antennen an einem Antennenanschluß zusammenzuschalten.

Eine solche Kombination von Antennen ist dann sinnvoll,

wenn man einen größeren Gewinn erreichen will
ein größeres Gebiet oder verschiedene Richtungen abdecken will
eine größere rundumstrahlende Antenne mit besserem „Downtilt“ aufbauen will

Zusammenschalten für mehr Gewinn

Das Zusammenschalten mehrerer Antennen in die gleiche Richtung um einen größeren Gewinn zu erzielen wird oft im Amateurfunk verwendet. Im WLAN-Bereich ist das i.d.R. jedoch nicht nötig da hier Antennen mit ausreichend Gewinn zur Verfügung stehen um die gesetzlich zulässige maximale Sendeleistung auszuschöpfen. Um eine solche Zusammenschaltung zu betreiben müssen die Antennen phasengleich angesteuert werden, d.h. die Kabel zw. dem Splitter und den Antennen müssen exakt gleich lang sein (wie lang absolut ist egal, nur gleichlang müssen sie sein). Jede Verdoppelung der Antennenanzahl ergibt ungefähr +2dB Gewinn. Der Stockungsabstand der Antennen zueinander ist kritisch und muß genau berechnet bzw. der Literatur entnommen werden.

Zusammenschalten für mehrere Richtungen

Soll ein größeres Gebiet oder verschiedene Richtungen abgedeckt werden kann man zwei oder vier Antennen mit einem Splitter zusammenschalten. Dabei werden die Antennen in verschiedene Richtungen gedreht, so lässt sich z.B. mit zwei 70°-Sektorantennen ein größerer Sektor von ca. 140° versorgen. Die Abstände der Antennen zueinander ist dabei unkritisch. Die phasenrichtige Ansteuerung der Antennen (gleichlange Kabel) ist nur dann wichtig wenn sich Überlappungen bei den Ausleuchtzonen ergeben. Leuchten die Antennen zwei komplett verschiedene Richtungen aus kann man verschieden lange Kabel verwenden.

Leistungsaufteilung beim Splitter

Beim Einsatz eines Splitters ist zu beachten das sich die Leistung gleichmässig auf jede angeschlossene Antenne aufteilt. D.h. bei einem 2-fach Splitter erhält jede Antenne nur noch 50% der Sendeleistung (also 3dB weniger), bei einem 4-fach Splitter erhält jede Antenne nur noch 25% der Sendeleistung (also 6dB weniger). Dies ist bei der Berechnung der max. zulässigen Sendeleistung zu berücksichtigen! (siehe auch unten) Beim Empfang wird die aufgenommene Energie beider Antennen kombiniert und zum WLAN-Gerät gegeben. Das funktioniert i.d.R. problemlos, solange die Antennen in unterschiedliche Richtungen zeigen. Sollten die Antennen in die annährend gleiche Richtung zeigen so müssen die Antennen phasengleich angeschlossen werden (gleichlange Kabel zum Splitter). Natürlich ergeben sich durch den Einsatz eines Splitters auch Einfügeverluste durch die Steckverbindungen usw., die sind aber mit geschätzten 0.2 - 0.5dB vernachlässigbar.

Wichtig: werden nicht alle Antennenanschlüsse eines Splitters belegt so sind die nicht benutzen mit einem Abschlußwiderstand zu terminieren! Das geht z.B. mit einem 50Ω Abschlußwiderstand mit N-Stecker.

Hinweis: Eine regelmässig auftauchende Frage ist, welche EIRP denn beim Zusammenschalten mehrerer Antennen mit einem Splitter gilt. Gilt die EIRP insgesamt für alle Antennen oder für jede Antenne einzeln? Die kurze Antwort: die EIRP gilt insgesamt, für alle Antennen zusammen! Ein Kunde hat dazu mal bei der Bundesnetzagentur angefragt und uns die Antwort weitergeleitet (Danke, Herr S.)

Die Bundesnetzagentur schreibt im Dezember 2006: Die zulässige Strahlungsleistung von WLAN- Funkanwendungen (das gilt im Übrigen analog auch für alle anderen Funkanwendungen) ist auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt, um eine gemeinsame und verträgliche Nutzung der zur Verfügung stehenden Frequenzen für möglichst zahlreiche Anwender zu gewährleisten. Naturgemäß ist dieser zentrale frequenzregulatorische Grundsatz ständigen Versuchen der Unterwanderung ausgesetzt. Schließt man beispielsweise mehrere Antennen über einen Splitter an den Ausgang eines WLAN- Gerätes an und gesteht jeder einzelnen Antenne die maximal zulässige Strahlungsleistung zu, wäre es möglich, das Gerät (in Abhängigkeit der Anzahl der Ausgänge des Splitters sowie der Senderausgangsleistung) mit einer theoretisch unbegrenzten Strahlungsleistung zu betreiben. Dies kann keinesfalls im Einklang mit dem Grundsatz einer störungfreien und effizienten Frequenznutzung stehen.

Beispiel mit zwei Antennen

Man nehme zwei Antennen… Das müssen nicht zwei gleichartige Antennen sein, sondern können Antennen von unterschiedlicher Bauart und Leistung sein. Zur besseren Entkopplung der beiden Teilstrecken kann unterschiedliche Polarisation verwendet werden, also eine Antenne horizontal, die andere vertikal betrieben werden.

	Zur besseren Ansicht von hinten betrachtet…
	Dazu einen 2-fach Splitter…
	Die erste Antenne wird mit einem kurzen Kabel mit einem Anschluß des Splitters verbunden. Welchen der beiden oberen Anschlüsse man dabei wählt ist egal.
	Ebenso die zweite Antenne an den zweiten der oberen Anschlüsse am Splitter. Dabei ist sinnvoll die Kabel in einem sanften Bogen zuerst nach unten zu führen, wie im Bild gezeigt. Dadurch wird zum Einen ein scharfer Knick im Kabel vermieden, zum Anderen läuft Regenwasser am Kabel nach unten und tropft an der tiefsten Stelle ab.
	Ein Kabel vom Splitter (3. Anschluß) führt zum WLAN-Gerät, ggfls. noch mit Blitzschutz versehen.

Das Ganze dann an einen Mast montiert. Die Kabel und den Splitter sollte man mit wetterfesten und UV-beständigen Kabelbindern befestigen. Bild anklicken für Großansicht. Nach der endgültigen Montage sollten die N-Stecker am Splitter noch mit Dichtungsband abgedichtet und wetterfest gemacht werden

Quelle

Firma Wimo

Selbstbau

anonymous@undisclosed.example.com (Anonymous) — Fri, 29 Nov 2019 10:59:08 +0000

Selbstbau

Eine einfache, aber wirksame 2,4-GHz-Antenne lässt sich schon aus drei Bauteilen fertigen: Man braucht eine Konservendose mit 10 cm Durchmesser und mindestens 17 cm Länge, eine N-Buchse sowie ein 30 mm langes Drähtchen, vorzugsweise aus versilbertem Kupferdraht. Das Drähtchen lötet man senkrecht an den Stift der N-Buchse und kürzt das Gebilde mit einem Seitenschneider so weit, dass es insgesamt 31 mm über den Buchsenkörper hinausragt. Das Befestigungsloch für die N-Buchse bohrt man so in die Dosenwand, dass das Strahlerstäbchen 44 mm vor der Rückwand steht. Passende N-Buchsen und Stecker sowie Kabel gibt es im Fachhandel.

Solch ein Selbstbau-Wellenfänger funktioniert als Hohlleiter erstaunlich gut. Bei einem anderen Dosen-Durchmesser oder anderen Frequenzen muss man die Abstände neu berechnen. Wichtig ist, genau zu arbeiten. Ein Problem ist freilich, dass eine messtechnische Prüfung nur mit hohem Aufwand möglich ist. Alternativ empfiehlt sich der Vergleich mit einer Industrieantenne unter Verwendung der Feldstärkeanzeige der WLAN-Karte.

Bei einer Vollblechdose maßen wir einen Gewinn von rund 9,5 dBi, der zu den Bandgrenzen hin nur wenig abfiel. Auch die unerwünschte Reflexion war gering, die Dose konnte es mit Industrieprodukten aufnehmen. Bei den Messungen wurden interessehalber auch die Pegel bei den Abstrahlwinkeln ±30° überprüft. Dabei zeigte sich, dass die Dose erwartungsgemäß mit etwa 15° leicht nach oben schielt, wenn der Kabelanschluss nach unten weist. Bei einer Dose aus beschichteter Pappe war das Reflexionsverhalten messbar schlechter. Der Gewinn lag trotzdem noch bei gut 9,5 dBi, wenn auch mit etwas mehr Abstrichen zu den Bandgrenzen hin.

Chips-Verstopfung

Die früher vorgeschlagene Pringles-Antenne ist nicht nur kompliziert im Aufbau, sondern versagte auch kläglich bei der messtechnischen Prüfung. Das verwundert nicht, denn die Chips-Röhre hat mit 73 mm Innendurchmesser einen zu kleinen Querschnitt für 2,4-GHz-Wellen. Mit dem Durchmesser müsste die Dose mindestens einen halben Meter lang sein, um überhaupt als Hohlleiter in der oberen Hälfte des WLAN-Bandes zu funktionieren. Die Reflexionsmessung mit einem kompromissweise 65 mm vom Dosenboden montierten λ/4-Strahler zeigte eine viel zu hohe Resonanzfrequenz. In der Mitte des WLAN-Bandes wurden über 85 % der Leistung zum Sender zurückgeworfen. Statt eines Antennengewinns zeigte das Muster über weite Bereiche einen Verlust. Daran ändern auch irgendwelche Einbauten mit Unterlegscheiben nichts.

Wetterschutz

anonymous@undisclosed.example.com (Anonymous) — Fri, 29 Nov 2019 10:59:09 +0000

Wetterschutz

Eine Gefahr für Antennen sind die Naturgewalten. Patch-Antennen besitzen zumeist eine Kunststoffhülle (Radom), die bei Eisansatz einen Totalausfall infolge einer Verstimmung der Antenne vermeidet. Auch bei Selbstbauantennen sollte man auf den Wettereinfluss achten, also die Antennenelemente mit einem wetterfesten Klarlack versehen, der vor Korrosion schützt, bei geschlossenen Rohren (Kaffeedosenantennen) einen Kondenswasserablauf anbringen, Kabel generell nach unten herausführen (damit kein Wasser vom Kabel in den Stecker läuft), nach dem Aufbau die Steckverbinder mit Lack versiegeln und so weiter.

Ein Koaxialkabel, in das Feuchtigkeit eingezogen ist, verändert seine elektrischen Eigenschaften drastisch und ist normalerweise ein Totalschaden, da man es mit Hausmitteln nicht wieder trockenlegen kann. Wenn nur die ersten Meter betroffen sind, kann man das Ende großzügig abschneiden und eventuell den Rest retten.

Von einem anderen Wetterphänomen, dem Blitz, sind alle draußen montierten Antennen betroffen. Dort sollte ein Fachmann einen äußeren Blitzschutz anbringen. Für den Schutz der Antennenzuleitung bietet der Fachhandel zwischenschaltbare Elemente an. Schließlich muss man bei der Montage großer Antennen an Masten auf die Windlast achten: Bei Sturm können sie starke Kräfte auf den Mast ausüben, die ihn im schlimmsten Fall umknicken.

Nach all dem Aufwand nun am Kabel zu sparen, rächt sich schnell: Schon wenige Meter billiges Kabel können leicht den gesamten Gewinn einer guten Antenne schlucken. Bei der Verbindung zwischen Antenne und WLAN-Karte etwas großzügiger zu sein, ist gut angelegtes Geld, denn es wäre schade, wenn die guten Ideen, die hinter den vielfältigen Antennenkonstruktionen stecken, auf dem Weg zum WLAN-Gerät verloren gingen.