Know-how | Antennentechnik

Oliver Bartels

WellenfängerSo funk-tionieren Antennen

Eine externe Antenne soll die WLAN-Reich-weite steigern, aber warum funkt das Netznicht mal mehr durch die Wohnung,wenn ein Stückchen Draht in derAntennenbuchse steckt? Wasda noch nicht passt, klärt einBlick auf die physikalischenHintergründe. Wie gutkommerzielle undselbstgebaute An-tennen wirken,klärt der nach-folgendeBeitrag.

Schon 1886 hat HeinrichHertz demonstriert, dassman elektrische und mag-

netische Felder zur Übertragungvon Nachrichten nutzen kann.Das Sendesignal wurde damalsmangels Elektronenröhren oderTransistoren mit einer Funken-strecke erzeugt, daher stammtdie Bezeichnung Funk(technik).Erst später entdeckte man, dasslange Drähte anstelle der Fun-kenstrecke die Reichweite vonSendeanlagen erheblich stei-gern konnten. Dabei hat derDraht die Aufgabe, die vom Sen-der abgegebene Hochfrequenz(HF) als elektromagnetischeWelle in die Umgebung auszu-koppeln, das Prinzip Antennewar geboren.

Zum Bereich der elektromag-netischen Wellen gehört nichtnur der Funk zwischen Langwel-le und Mikrowelle, auch Wärme-strahlung, Licht und Röntgen-strahlung sind nichts anderesals elektromagnetische Wellen.Diese unterscheiden sich nur er-heblich in der Wellenlänge vomgewöhnlichen Funk. UKW-Rund-

funk arbeitet bei etwa 3 MeterWellenlänge und 2,4-GHz-WLANbei rund 12 cm. Dagegen hatrotes Licht nur 650 nm (650 mil-liardstel Meter) und Röntgen-strahlung noch viel weniger.

Die Wellenlänge λ und dieFrequenz f des Signals hängenim freien Raum unmittelbar zu-sammen, ihr Produkt ist dieLichtgeschwindigkeit c (rund300 000 km pro Sekunde); dieAusbreitung erfolgt für irdischeMaßstäbe extrem schnell. Inanderen Medien als Luft oderVakuum kann die Wellenge-schwindigkeit deutlich niedri-ger liegen: Beispielsweise be-trägt sie in Koaxialkabeln, kurzKoax, je nach Typ nur 60 bis 70Prozent der Lichtgeschwindig-keit. Deswegen ist die Wellen-länge im Kabel auch deutlichkürzer als im Freien.

Immer senkrecht

Durch die gegenseitige Beein-flussung des elektrischen undmagnetischen Feldes ergibt sichaus den Maxwellschen Glei-chungen, dass sich elektromag-netische Wellen bei Abwesen-heit weiterer Einflüsse grund-sätzlich als Transversalwelle(transversal: quer verlaufend)ausbreiten. Das elektrische Feldsteht dabei stets senkrecht aufdem magnetischen Feld, beidestehen senkrecht zur der Aus-breitungsrichtung.

Daraus folgt, dass es viele ge-trennte Wellen gibt, die mit glei-

cher Frequenz in die gleicheRichtung laufen: In der Praxisnutzt man häufig horizontal po-larisierte Wellen mit waagrech-tem elektrischen und senkrech-tem magnetischen Feld sowievertikal polarisierte Wellen mitsenkrechtem elektrischen undwaagrechtem magnetischen Feld.WLAN wird dabei ebenso wieMobilfunk zumeist vertikal pola-risiert gesendet (der Strahlereiner Antenne steht senkrecht),hingegen wird UKW- und Fern-sehrundfunk mit einer horizon-talen Polarisation ausgestrahlt.

Deshalb muss man zwei An-tennen, die gut miteinander„sprechen" sollen, stets in dergleichen Orientierung, also Pola-risationsebene, montieren. Jenach Umgebung und Anten-nengüte kann die falsche Polari-sation einiges an Signalstärkekosten oder sogar gleich die Ver-bindung.

Messungen an Antennen sindim Nahfeld sehr schwierig, weilsich die Felder hier noch nichtsphärisch ausgebildet habenund Beugungs- und Streuungs-effekte hereinspielen. Als Dau-menregel geht man davon aus,dass das Fernfeld bei Entfernun-gen größer als der vierfachenWellenlänge beginnt, bei WLANalso ab etwa einem halbenMeter. Dort lassen sich Hochfre-quenz-Antennen (HF-Antennen)dann sehr einfach mit einemRichtdiagramm beschreiben:Man denkt sich eine Kugel umdie Antenne und misst, wie stark

das Signal in welche Richtungabgestrahlt wird. Dabei gibt esdas Idealbild des isotropenStrahlers, der in alle Richtungengleichstark sendet.

Umgekehrt ist eine Antennedenkbar, die eine ganz bestimm-te Richtung bevorzugt und ihrSignal nur in einen Kegel mit we-nigen Grad Öffnungswinkel lei-tet. Weil diese Antenne dazu diegesamte Sendeleistung verwen-den kann, die ursprünglich fürdie gesamte Kugel gedacht war,

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erhält ein in Vorzugsrichtung lie-gender Empfänger ein viel stär-keres Signal. Deshalb sprichtman von einem Antennenge-winn. Allerdings wird bei Richt-antennen der Rest der Welt we-sentlich schlechter bedient. EineAntenne, die ohne zusätzlichenVerstärker sowohl einen sehrhohen Gewinn als auch einemöglichst gute Rundumabstrah-lung leisten soll, kann es entge-gen mancher Marketingaussagenicht geben.

Gewinn und ReichweiteDen Antennengewinn geben dieHersteller üblicherweise in dBian, Dezibel (zehntel Bel) bezo-gen auf den isotropen Strahler.Das Bel - benannt nach Alexan-der Graham Bell - ist der Loga-rithmus zur Basis 10 der bezoge-nen Einheit. 10 Milliwatt gegen-über 1 Milliwatt entspricht 1 Beloder 10 dB, 100 mW zu 1 mWentsprechen 20 dB. Demnachwürde ein Gewinn von 30 dBibedeuten, dass solch eine An-tenne in ihre Hauptrichtungdas Tausendfache dessen ab-strahlt, was der isotrope Strahlerdorthin senden würde. Sind Vor-zeichen angegeben, dann kenn-zeichnen positive dB-Angabenstets eine Verstärkung (Aus-gangsleistung größer als Ein-gangsleistung), negative dage-gen eine Dämpfung (Ausgangs-leistung kleiner als Eingangs-leistung).

Wenn man sich die Kugel umdie Antenne vorstellt, dann lässtsich leicht berechnen, wie vielLeistung tatsächlich beim Emp-fänger ankommt: Die Kugelober-fläche wächst mit dem Quadratdes Radius, und die Ausbreitungder Wellen ist im Fernfeld unab-hängig von der Antenne. Damitverteilt sich die Leistung ineinem immer größeren Abstandauf eine quadratisch wachsendeKugeloberfläche: Verdoppeltman die Distanz, „sieht" derEmpfänger nur noch ein Vierteldes Signals. Deshalb bewirkteine verdoppelte Sendeleistung(+3 dB) keineswegs doppelteReichweite, man brauchte min-destens eine Vervierfach ung(+6 dB).

Weiter als bis zum sichtbarenHorizont kommt man bei WLAN-Frequenzen aber generell nicht,da sich die Wellen bei 2,4 GHzquasioptisch ausbreiten. Kurz-welle (3 bis 30 MHz) reicht überden Horizont hinaus, da je nach

Frequenz verschiedene Atmos-phärenschichten als Reflektorwirken und das Signal um dieErdkrümmung lenken.

Antennen verhalten sichzudem reziprok: Eine Antenne,die beim Senden die Abstrah-lung in eine bestimmte Richtungbündelt, wird auch beim Emp-fangen aus dieser Richtung be-sonders gut funktionieren. AmAntennenfuß steht ein um denGewinn stärkeres Signal bereit,ohne dass ein elektronischerVerstärker sein unvermeidlichesRauschen dazu gibt. Daraus re-sultiert ein bei Funkamateurengängiger Spruch: Eine gute An-tenne ist der beste Verstärker.

GrenzwertigFür WLAN ist die zulässige Sen-deleistung hierzulande gesetz-lich beschränkt. Sie liegt im 2,4-GHz-Band bei 100 mW EIRP(20 dBm). EIRP (Effective Isotro-pie Radiated Power) ist die Sen-deleistung, mit der man eine inalle Raumrichtungen gleich-mäßig (isotrop) abstrahlendeAntenne versorgen müsste,damit die Anlage im Fernfelddieselbe Feldstärke erreicht wiemit einer bündelnden Richtan-tenne. dBm steht für Dezibel be-zogen auf ein Milliwatt. Alles,was über 20 dBm EIRP hinaus-geht, ist illegal und kann als Ord-nungswidrigkeit geahndet wer-den. Bei 5,7 GHz sind unter be-stimmten Voraussetzungen neu-erdings bis zu 1 Watt erlaubt.

Das bedeutet für WLAN-Richt-funker, dass der Betrieb von An-tennen mit hohem Gewinnunter Umständen illegal ist: Einetypische WLAN-Karte sendet mit+15 dBm (30 Milliwatt). Wenndie Antenne nun +8 dBi bringt,dann hätte die Anlage ohne dasAntennenkabel eine Sendeleis-tung von +23 dBm (200 Milli-watt) am isotropen Strahler, 3 dBüber dem Grenzwert. Man mussalso ein Kabel mit mindestens3 dB Verlust - zur Kabeldämp-fung folgt weiter unten mehr -einsetzen, um legal zu bleiben.Alternativ bieten auch manche

Das Richtdiagramm einerAntenne gibt für die

horizontale und vertikaleEbene an, wie gut sie in jede

Raumrichtung sendet undempfängt: Je schmaler

die Keule, desto höher derGewinn in Vorzugsrichtung.

Weil sich elektro-magnetische

Wellen transversalausbreiten, gibt eszwei Polarisations-

richtungen:waagrecht und

senkrecht, jeweilsauf das elektrische

Feld E bezogen.

Access Points Optionen, um dieSendeleistung stufenweise an-zupassen. Beispielsweise hat derderzeit verbreitete DWL-900+von D-Link vier Stufen: 100%(19 dBm), 50 % (16 dBm), 25 %(13 dBm) und 12,5 % (10 dBm).

Angepasste KabeleiEin oft vernachlässigtes Detail istder Anschluss der Antenne andie WLAN-Baugruppe über dasKabel. Bei derart hohen Fre-quenzen taugt ein gewöhnlicherKlingeldraht nicht, weil sich dasFeld eines WLAN-Signals über2,4 Milliarden mal pro Sekundeändert. Da ist die Selbstindukti-on des Kupferdrahts so stark,dass das Signal praktisch nichtweitergeleitet werden kann. Dieeinzige Chance dagegen liegt imAusnutzen eines entgegenge-setzten Effektes: Im Kondensatornimmt das Aufbauen der La-dung Zeit in Anspruch, währenddieser Zeit fließt anfänglich einbesonders hoher Strom. Wenn

man nun an bestimmten Stellendes Kabels einen zur Selbstin-duktion passenden Kondensatoreinbaute, dann würden sichbeide Effekte kompensieren unddas Signal kann im Kabel laufen.Dieser Überlegung folgt der Auf-bau des Koaxialkabels.

Hinzu kommt, dass sich daselektrische Feld ausschließlichim Inneren des Kabels zwischenInnenleiter und Mantel befindet.Es kann infolge der Schirmungdurch den Mantel nicht abge-strahlt werden. Zwar sind diemagnetischen Felder von Innen-leiter und Mantel außerhalb desKabels gleich stark, jedochheben sie sich wegen der ge-gensinnigen Stromrichtung auf.Das Kabel strahlt nach außenalso E- und H-Felder so gut wiegar nicht ab und hat damit besteVoraussetzungen für den Einsatzals Antennenzuführung.

Bei Koax-Kabeln ist eine we-sentliche Kenngröße der Wellen-widerstand (Impedanz). Dieserresultiert über die „Telegraphen-gleichung" aus dem induktivenBelag (virtuelle Spulen) pro Län-geneinheit und dem kapazitivenBelag (virtuelle Kondensatoren).Der Wellenwiderstand ist des-halb wichtig, weil das Kabel dieSendeleistung nur dann ohneVerluste übernimmt, wenn derSender sie mit gleicher Impe-

Horizontal

Vertical

Richtantennen „leuchten"einen Kegel aus. Verdoppeltman die Entfernung zumSender, dann vervierfacht sichdie bestrahlte Fläche.

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Ein Koax-Kabel ist kein simpler Draht: In seinem Inneren läuftdie Leistung als elektromagnetische Welle aus E- und H-Feld.Es verhält sich quasi wie eine Kettenschaltung aus Spulen undKondensatoren.

danz einspeist. Das gleiche giltantennenseitig: Nur wenn Wel-lenwiderstand von Kabel undAntenne gut übereinstimmen,wird die Leistung optimal ausge-koppelt.

Eine Fehlanpassung, bei derdie Impedanzen von Sender,Kabel oder Antenne stark von-einander abweichen, bewirktsende- wie empfangsseitig er-hebliche Leistungseinbußen. Dasist beispielsweise dann der Fall,wenn man den 50-Ohm-Aus-gang einer WLAN-Karte über ein75-Ohm-Kabel (typisch in Sat-

TV-Anlagen oder zwischen TV-Antenne und Fernsehgerät) mitdem 50-Ohm-Eingang einerWLAN-Antenne verbindet. DerEffekt tritt auch schon bei sehrkurzen Kabelstücken auf.

Im Sendefall kann solch eineFehlanpassung sogar zum Elek-tronikkiller werden: Die im Kabelzwischengespeicherte Energiekehrt wie bestellt und nicht ab-geholt an der „Bruchstelle" zumSender zurück, aber sie kannwegen der Energieerhaltungnicht verschwinden. Der Sendermuss nun außer mit seiner eige-

Bei Antennen giltals Faustregel, dassmechanisch größereKonstruktionentypischerweiseden höherenGewinn bringen.

nen Verlustleistung auch mit derreflektierten Leistung fertig wer-den. Der Effekt hat schon somanche CB-Funk-Endstufe dasLeben gekostet. Zwar ist er bei2,4-GHz-WLAN mit 100 mWnoch unproblematisch, könnteaber bei den neuen 5,7-GHz-WLAN-Karten mit einem WattSendeleistung wieder relevantwerden. Man sollte daher nie-mals einen Sender ohne ange-schlossene Antenne betreiben.

Immer wenigerDie zweite wichtige Kenngrößebei Kabeln ist die unvermeidli-che Dämpfung. Nur Supraleiterübertragen elektrische Energieverlustfrei, aber die sind in derPraxis noch nicht einsetzbar,und wenn dereinst, dann wohlnur für niederfrequente Ener-gieübertragung. Bei Koax-Ka-beln gilt als Faustregel, dassdünnere Kabel stärker dämpfenals dickere [1]. Außerdem steigtdie Dämpfung, die die Kabel-hersteller in Dezibel pro Meter(dB/m) angeben, generell mitder Frequenz.

Schon fünf Meter billigesKabel, das aber auch schon ohneweiteres einen Euro pro Meterkostet, können bei 2,4 GHz dengesamten Gewinn einer 10-dBi-Patchantenne schlucken. Hoch-wertiges Kabel wird auf dieserDistanz kaum mehr als 1 dBDämpfung verursachen, kannaber leicht mit fünf Euro proMeter zu Buche schlagen.

Die Wellenlänge beträgt bei2,4-GHz-WLAN im Kabel we-gen der niedrigeren Wellen-geschwindigkeit typischerweisenur noch 6 cm, also 3 cm zwi-schen Plus und Minus der Ampli-tude auf dem Mittelleiter. Daherfordern hohe Frequenzen hoheFertigungspräzision bei Anten-nen und anderen Komponenten.Extrem wird dies im 5,7-GHz-Band, bei den Steckverbindernbeträgt die typische Toleranzdann typischerweise wenige Mi-krometer.

Unfeiner UmgangSorgsames Handhaben der Ste-cker [2,3] ist dabei zwingend fürgute Übertragungseigenschaf-ten. So darf man niemals eineSMA-Buchse durch Drehen umdie eigene Achse in einen wider-spenstigen Stecker hineinzwin-gen. Durch die Drehung des Stif-tes in der Buchse kann letztere

irreparabel beschädigt werden,sodass es zu ungewollten Refle-xionen und damit Signalverlustkommt. Daneben ist das maxi-male Drehmoment bei SMA un-bedingt einzuhalten, wofür manpassende Drehmomentschlüsselhernimmt. Lüsterklemmen, flie-gende Lötstellen und ähnlicheshaben in einer HF-Anlage nichtszu suchen.

Ein weiterer HF-Aspekt ist,dass die Leistung nicht auf demLeiter läuft, sondern als Feld imisolierenden Dielektrikum desKabels steckt. In Extremfällenkann man den Innenleiter sogarweglassen, man erhält danneinen runden oder quadrati-schen Hohlleiter, der die Basisaller selbstgebauten Dosen-An-tennen ist. Diese funktionierenaber erst ab einer bestimmtenMindestfrequenz, die von denDimensionen des Hohlleiters ab-hängt. Sind diese für eine Fre-quenz zu klein, dann gibt eskeine geeigneten „Moden", derHohlleiter sperrt [4]. Mit einemTrichter, der die Hohlleiter-Öff-nung sanft aufweitet, wird ausder Hohlleiter-Antenne einHorn-Strahler.

So siehts aus

Die einfachste Antenne, die häu-fig als Behelf UKW-Tunern alsWurfantenne beiliegt, ist derDipol mit zwei Drähten. DieFunktion ist einleuchtend: Durchden im ungeschirmten Drahtfließenden Strom bis zu denSpitzen entsteht ein Magnetfeld,an den Spitzen bauen sich La-dungen auf und erzeugen einelektrisches Feld. Beides strahltin den freien Raum. Allerdingssollte die Länge des Dipols aufdie Wellenlänge abgestimmtsein. Der Dipol funktioniert nurin der Dimension der halbenWellenlänge gut, denn die Lauf-zeit im Draht und damit die Re-sonanzfrequenz muss zur Sen-defrequenz passen. Eine genaueFeldberechnung würde denRahmen dieses Artikels aller-dings bei weitem sprengen.

Der Dipol benötigt gegeben-falls am oder im Antennenfußein Bauteil (Balun), das seinenWellenwiderstand an die Lei-tung anpasst und gegebenen-falls für eine Symmetrierungsorgt, denn der Dipol ist einsymmetrischer, Koax aber einunsymmetrischer Leiter. Einfa-cher ist in der Tat der Anschlusseines simplen Antennenstabs,

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WLAN funkt nur dann gut, wenn Sichtverbindung besteht. DieFresnel-Zone, ein gedachter Football-förmiger Körper zwischenSender und Empfänger muss weitgehend hindernisfrei sein.

dessen Gegenpol die Erde ist,die Physik hat netterweise des-sen Fußimpedanz mit ungefähr40 Ohm in die Nähe der Impe-danz der üblicherweise verwen-deten 50-Ohm-Kabel gelegt,wenn dieser Stab eine Längevon einem Viertel der Wellenlän-ge hat.

Eine weitere Möglichkeit, dasWLAN-Signal in die Luft zu be-kommen, sind Patch-Antennen.Dabei handelt es sich um einegeeignet gespeiste rechteckigeFläche, den Patch, die sich voreiner großen Massefläche befin-det Mindestens eine Kantenlän-ge des Patches entspricht dabeider halben Wellenlänge, wobeisich durch die Wahl eines geeig-neten Dielektrikums zwischenPatch und Massefläche dieLänge verkürzen lässt DerartigeAntennen eignen sich beson-ders gut für den Aufbau auf Lei-terkarten.

Braucht man eine noch stär-kere Richtwirkung, die eine Ein-zelantenne allein nicht schafft,kann man über Koppelgliederauch mehrere Patch-Antennenzu Gruppen zusammenschal-ten. Durch die Interferenz derWellen im freien Raum bildetsich eine Hauptkeule, auf diesich die Abstrahlung konzen-triert, allerdings sind Nebenkeu-len unvermeidbar. Je größer dieAnzahl der Einzelantennen ist,umso größer ist die Richtwir-kung und damit der Antennen-gewinn. Bei einem StackedArray liegen beispielsweisemehrere Stabantennen über-einander.

Die Zusammenschaltung mussnicht unbedingt per Kabel erfol-gen: Bei der Yagi-Uda-Antennereichen in Richtung der Aus-strahlung angeordnete Stäbe,die im Grunde kurzgeschlossene

Einzeldipole repräsentieren, wel-che die Welle führen. Hinter demeigentlichen Empfangsdipol be-findet sich noch ein Reflektor-Stab oder sogar ein Maschen-netz. Die Yagi kommt häufignoch auf Hausdächern als Emp-fangsantenne für terrestrischesFernsehen vor, sie wird aberauch gern für WLAN genutzt,weil es ein breites Angebot mitpassender Wellenlänge im Ama-teurfunkfachhandel gibt

Die beste Antenne nützt beiWLAN allerdings nichts, wennsich zwischen Sender und Emp-fänger große Hindernisse befin-den. Noch immer gilt beimFunk mit Frequenzen über 100MHz: Richtfunk ist Sichtfunk,das sogenannte Fresnel-Ellipso-id - ein imaginärer „Football"zwischen Sender und Empfän-ger - sollte möglichst frei sein.Dabei dürfte leicht verständlichsein, dass kleinere Hindernissein der Mitte der Funkstrecke, wodas Ellipsoid die größte Weiteaufweist, weniger stören als sol-che unmittelbar vor der An-tenne.

WetterschutzEine Gefahr für WLAN-Antennensind die Naturgewalten. Patch-Antennen besitzen zumeist eineKunststoffhülle (Radom), die beiEisansatz einen Totalausfall in-folge einer Verstimmung derAntenne vermeidet. Auch beiSelbstbauantennen sollte manauf den Wettereinfluss achten,also die Antennenelemente miteinem wetterfesten Klarlackversehen, der vor Korrosionschützt, bei geschlossenen Roh-ren (Kaffeedosenantennen) ei-nen Kondenswasserablauf an-bringen, Kabel generell nachunten herausführen (damit kein

Wasser vom Kabel in den Ste-cker läuft), nach dem Aufbau dieSteckverbinder mit Lack versie-geln und so weiter.

Ein Koaxialkabel, in dasFeuchtigkeit eingezogen ist, ver-ändert seine elektrischen Eigen-schaften drastisch und ist nor-malerweise ein Totalschaden, daman es mit Hausmitteln nichtwieder trockenlegen kann.Wenn nur die ersten Meter be-troffen sind, kann man das Endegroßzügig abschneiden undeventuell den Rest retten.

Von einem anderen Wetter-phänomen, dem Blitz, sind alledraußen montierten Antennenbetroffen. Dort sollte ein Fach-mann einen äußeren Blitzschutzanbringen. Für den Schutz derAntennenzuleitung bietet derFachhandel zwischenschaltbareElemente an. Schließlich mussman bei der Montage großerAntennen an Masten auf dieWindlast achten: Bei Sturm kön-nen sie starke Kräfte auf denMast ausüben, die ihn imschlimmsten Fall umknicken.

Nach all dem Aufwand nunam Kabel zu sparen rächt sichschnell: Schon wenige Meter bil-liges Kabel können leicht dengesamten Gewinn einer gutenAntenne schlucken. Bei der Ver-bindung zwischen Antenne undWLAN-Karte etwas großzügigerzu sein ist gut angelegtes Geld,denn es wäre schade, wenn dieguten Ideen, die hinter den viel-fältigen Antennenkonstruktio-nen stecken, auf dem Weg zumWLAN-Gerät verloren gingen.

(ea)

Literatur

[1] Kabeldämpfung bei 2,4 GHz,www.wireless-lans.de/de/outdoor/antennen/kabel.asp

[2] Übersicht Steckertypen, www.wireless-lans.de/de/outdoor/antennen/stecker.asp

[3] Anleitung Steckermontage, www.steckerprofi.de/montage.htm[4] Meinke, Gundlach, Taschen-buch der Hochfrequenztechnik,Springer-Verlag

[4] Prof. Dr. U. Gysel, Vorlesungsbeila-ge Antennen, Zürcher Hochschu-le Winterthur, www.zhwin.ch/~gys/HFf/Antennenf/Antennen.pdf

[5] Karl Rothammel, Antennenbuch,z. B. bei www.darc.de oder www.funkamateur.de

[6] WLAN-Antennenselbstbau, www.myteron.de/wavehan/ c't

c't 2003, Heft 9

Prüfstand | WLAN-Antennen

Weiter funkenWLAN-Antennen unter der Lupe

Mit den Standardantennen an Access Points oderBridges stößt man schnell an die Reichweitengrenzendrahtloser Netzwerke. Im Freien ist schon nach einigenhundert Metern Schluss. Doch dabei muss es mitexternen Antennen nicht bleiben, c't hat Industriepro-dukte und Selbstbaulösungen untersucht.

Wer seine WLAN-Reich-weite steigern will,braucht eine gute, ex-

terne Antenne. Das Angebot istgroß und damit Grund genug,einige Exemplare einer genaue-ren Betrachtung zu unterziehen.Wir haben zwei Rundumstrahler,zwei passive Richtantennen, einaktives Kit sowie zwei selbst ge-baute Hohlleiterantennen nacheinem besonders einfachen Bau-prinzip messtechnisch unter-sucht. Bei den kommerziellenAntennen wurden zwei Exem-plare gemessen, um eventuelleSerienausreißer zu erwischen.

Um die bei einer bestehen-den WLAN-Anlage gegebeneReichweite zu erhöhen, mussman Richtantennen einsetzen,die die Ausgangsleistung derWLAN-Sender in eine bestimmteRichtung bündeln und beimEmpfang aus dieser Richtung alspassive Signalverbesserer wir-ken. Grundsätzlich lässt sichschon mit nur einer Antenneentweder am Client oder am Ac-cess Point die Reichweite zwi-schen diesen beiden Stationenerhöhen. Bei Einsatz am AccessPoint deckt dieser freilich nicht

mehr alle Richtungen gleich gutab (siehe vorstehenden Beitrag).

Clients mit zusätzlichen An-tennen können sich jedoch wei-ter vom Access Point entfernen,ohne dass Mobilstationen in an-deren Bereichen schlechter ver-sorgt werden. Ein Access Pointmit einer Richtantenne versorgtnur Clients in einem bestimm-ten Raumsektor, die aber be-sonders gut. Entsprechend las-sen sich auch Richtfunkstreckenals Ersatz für Mietleitungen auf-bauen, bei denen zwei fest in-stallierte Stationen nur mitein-ander sprechen. Dabei setztman an jeder Station eine Richt-antenne ein. Grundstücksüber-schreitende Richtfunk-lnstalla-tionen, über die Daten für Drittefließen, können jedoch eineRegTP-Genehmigung erfordern.

Welchen Reichweitenzuwachseine externe Antenne gegenüberder vorhandenen bringt, lässtsich grob anhand des Antennen-gewinns abschätzen: Hat die vor-handene Antenne +3 dBi (typi-scher Wert für ein einfaches Stäb-chen an Access Points) und dieneue bringt +9 dBi, also 6 dBmehr, dann verdoppelt sich etwa

die überbrückbare Distanz. Hatdie WLAN-Installation vorher200 m im Freien geschafft, müss-ten jetzt 400 m drin sein. Weitere6 dB, also entweder der Einsatzeiner entsprechenden Antenneam Gegenüber oder eine besseremit +15 dBi, würden die Reich-weite nochmals verdoppeln.

Eine absolute Reichweite lässtsich hier kaum angeben, da dieseauch von/der jeweiligen Empfän-gerempfindlichkeit und der Sen-deleistung abhängt. Außerdem

muss die Strecke zwi-schen den Sta-tionen weitge-hend frei sein,spätestens am

Horizont ist mitWLAN sowieso Schluss.

Im Unterschied zu Prozessorengibt es bei WLAN-Antennenkeine vordefinierten Benchmarks,denn zu vielfältig sind die Anfor-derungen. Eine passive Antenne,die möglichst eine Rund-umabdeckung sicherstellen soll,kann physikalisch bedingt nichtden gleichen Gewinn wie eineRichtantenne haben. Hinzukommt, dass es reichlich Anten-nenparameter gibt, teilweise eineAbhängigkeit vom Messaufbaubesteht und Messungenauigkei-ten in der Größenordnung vonetwa 1 dB unvermeidlich sind.

Um die Korrektheit der Her-stellerangaben zu verifizierenund einen Überblick über dieQualität zu bekommen, habenwir zunächst die Anpassung(siehe vorstehenden Artikel) amAntennenfuß mit einem Netz-werkanalysator HP8753E derFirma Agilent überprüft. Nacheiner vorhergehenden Kalibrie-rung speist dieses Gerät überden zu prüfenden Frequenz-bereich ein Signal in die Anten-ne ein, koppelt die von der An-tenne reflektierte Leistung mit-tels Richtkoppler aus und misstdiese. Eine ideale Antenne soll-

te möglichst keine Leistung re-flektieren (s11 -Parameter), s11-Messwerte unterhalb von-10 dB gelten als sehr gut. Hin-gegen bedeutet eine Reflexionvon -3 dB, dass bereits die Hälf-te der eingespeisten Leistungnicht abgenommen wird und esdemzufolge mit der Qualitätnicht allzu weit her ist.

Den Antennengewinn habenwir im Freifeld mittels einesSpektrum-Analysators FSP 7 vonRohde & Schwarz mit eingebau-tem Tracking-Generator ermit-telt. Ein Spektrum-Analysatorzeigt die innerhalb des gewähl-ten Frequenzbandes bei einerFrequenz vorhandene HF-Leis-tung an. Der Tracking-Generatorerzeugt nun an der Stelle imSpektrum ein HF-Signal mit defi-niertem Pegel, an der der Spek-trum-Analysator das Signal misst.Damit kann man die Dämpfungoder den Gewinn einer Übertra-gungsstrecke erfassen. DieseMessung hätte zwar auch mitdem Netzwerkanalysator durch-geführt werden können, im Frei-feld kann der Spektrum-Analysa-tor mit Tracking-Generator seinehöhere Empfindlichkeit und bes-sere Selektivität gegenüber Stör-signalen ausspielen. Den Anten-nengewinn zeigt er nach geeig-neter Kalibrierung unmittelbarüber der Frequenz an.

Zur Kalibrierung und Verifika-tion des Messaufbaus wurde dieZwei-Antennenmethode ver-wendet. Wir haben uns zu die-sem Zweck ein Prüflingspaargleicher Bauart mit möglichstkonstantem Frequenzgang her-ausgesucht; nach der vorange-gangenen Reflexionsmessungund einem ersten Überblick kamdie Huber+Suhner-Antenne zumEinsatz. Der Abstand von 8 mund die Höhe der Antennen von1,5 m auf einem geeigneten Sta-tiv über Boden wurde exakt ver-messen, ebenso die Dämpfung

Die Planarantenne vonHuber+Suhner zeigteüber das WLAN-Bandeinen recht konstantenGewinn von etwa 8 dBi.Sie kam deshalb alsReferenzantenne zumEinsatz.

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Prüfstand | WLAN-Antennen

der Zuführungskabel. Bei einerWellenlänge von etwa 12 cm be-findet sich die gegenüberliegen-de Antenne sicher im Fernfeld,sodass eine individuelle Kompa-tibilität der Antennen zueinan-der keine Rolle spielt, sofern nurdie Messantenne die Polarisa-tion richtig selektiert. Die Gegen-rechnung ergab einen Gewinnvon 8,0 dBi. Da dies knapp ober-halb der Spezifikation im Daten-blatt liegt, war der Messaufbaukorrekt.

Die Messung mit der Zwei-Antennen-Methode setzt keinerechnerische Einbeziehung vonHerstellerangaben voraus. Des-halb wird dieser zu prüfende An-tennentyp weder bevorzugtnoch benachteiligt, wenn mitder nun vorliegenden Kalibrie-rung der Freifeld-Messstreckeweitere Antennenmuster gegenein solches Exemplar getestetwerden. Die hervorragendeKonstanz des Gewinns über dasgesamte WLAN-Frequenzbanderlaubt zudem Messungen überdie Frequenz. Mit der Nutzungeiner realen WLAN-Antenne alsGegenüber möchten wir denteilweise von Anbieterseite ge-äußerten Bedenken entgegen-treten, dass Labormessungeneine Sache seien, der praktischeEinsatz aber ganz andere Ergeb-nisse bringen würde. Die in denmeisten Fällen gute Überein-stimmung der Messungen mitden Herstellerangaben zeigt,dass Hochfrequenz kein Voodooist - aber auch kein Kinderspiel.

Auf die Erstellung eines kom-pletten Richtdiagramms wurdewegen des hohen Aufwands ver-zichtet, im Wesentlichen ging esbei den Messungen nur darum,den Produktdatenblättern aufden Zahn zu fühlen, ob sich diegemachten Angaben verifizierenlassen und ob es sich um Spit-zenwerte bei lediglich einer Fre-quenz oder um zuverlässig fürdas gesamte WLAN-Band zutref-fende Angaben handelt. Es seinoch einmal betont, dass dieMessmethode im Freifeld be-stimmte Unsicherheiten auf-weist. Unsere Messunsicherheitdürfte auf jeden Fall kleiner als±2 dB sein.

Allnet 5-dBi-R-SMA-AntenneDas Produkt wurde mit einemReverse-SMA-Verbinder geliefert.Dieser Verbinder verdankt seineExistenz US-Bestimmungen,

nach denen für WLAN-Zusatz-antennen keine marktüblichenStecker zu verwenden seien, umden Anschluss anderer Antennenmit höherem Gewinn zu verhin-dern. Solch eine Vorgabe hältgenau solange, bis geeigneteAdapter aus Fernost verfügbar

Allnet 5-dBi-R-SMA-Antenne:Schlanker Rundstrahler, gut fürden Einsatz am Access Pointgeeignet.

sind, typischerweise vier Wo-chen. In Europa besteht für dieVerwendung dieser Steckverbin-der keine Notwendigkeit.

Die Stabantenne scheint vonihrer Bauart her hauptsächlichfür den direkten Einsatz an Ac-cess Points bestimmt zu sein, derR-SMA hat hier tragende Funk-tion. Die Antenne ist bei Bedarfüber ein eingebautes Gelenk ab-winkelbar. Die Messungen zeig-ten keinen wesentlichen Unter-schied zwischen dem geradenund abgewinkeltem Betrieb. DerAntennengewinn lag über dieFrequenz eher etwas oberhalbder versprochenen 5 dBi als da-runter, die Welligkeit war gering,

die s11-Reflexion blieb über dasgesamte WLAN-Band deutlichunter -10 dB, die Resonanz lagklar in der Bandmitte und derUnterschied zwischen beiden

Testexemplaren war gering.Alles in allem ist diese Antennefür den direkten Einsatz am Ac-cess Point sehr gut geeignet.

Allnet 12-dBi-Outdoor-Antenne

Bei der 12-dBi-Outdoor-Antennehandelt es sich offenbar um einExemplar der Gattung StackedArray: In einem Stab mit 1,2 mLänge stecken mehrere Rund-strahlelemente, sodass eine ver-tikal schmale, horizontale Ebenemit hohem Gewinn versorgtwird. Beim Einsatz dieses Anten-nentyps geht man davon aus,dass Stationen, die sich in größe-rer Entfernung befinden, ineinem kleinen Winkel zu dieserEbene liegen. Die Antenne hateinen Anschluss für einen N-Steckverbinder. Mechanisch istder Aufbau solide, leider fehlteeine Montageanleitung.

Messtechnisch hinterließ dieseAntenne trotz des interessantenKonzeptes einen durchwachse-nen Eindruck: Schon bei der Mes-sung der s11-Reflexion bestandzwischen beiden Exemplaren eindeutlicher Unterschied, generellscheint diese Antenne eher aufdas untere WLAN-Band abge-stimmt zu sein. Damit korrespon-diert auch die Messung des Ge-winns, mehr als +6 dBi erreichtedie Antenne lediglich im unterenTeil des WLAN-Bands.

Trotz intensiver Bemühungenkonnten wir die versprochenen+12 dBi nicht nachvollziehen, inEinzelfällen sind wir bei manuel-len Schwenks der Antenne auf+8 dBi gekommen. Ein Vergleichmit ähnlichen Produkten ande-rer Hersteller zeigt, dass dort dieGrenze bei +8 dBi bis maximal+10 dBi in den Datenblätterngesehen wird. Nach Aussagevon Allnet wird dieser Typ nurfür den Diversity-Einsatz (zweiAntennen an einem Access

Nur im unteren Teildes WLAN-Bandes

erreichte der 12-dBi-Rundstrahler von

Allnet einenbrauchbaren Gewinn,doch auch dort nicht

mehr als 6 dBi.

AllnetOutdoor-Antenne:

Mit 12 dBiGewinn im

Katalog,maximal

8 dBiin der

Freifeld-messung.

Point) empfohlen und sei füreine versetzte Montage zweierExemplare gedacht, ein Daten-blatt wurde uns leider nichtnachgeliefert.

Huber+SuhnerSPA 2400/75/8/0/V

Beim Produkt des SchweizerHerstellers Huber+Suhner han-delt es sich um eine Flachkons-truktion mit SMA-Anschluss. DieAntenne steckt in einem kleinenund leicht zu montierendemKunststoffgehäuse, das alsRadom (Wetterschutzhülle umAntennen) fungiert. Weil die ge-messenen elektrischen Eigen-schaften über einen sehr weitenFrequenzbereich konstant sind,der s11 -Reflexionsfaktor liegtüber mehr als 200 MHz - weitüber das WLAN-Band hinaus -unter -10 dB, braucht man sichüber solche Einflüsse ohnehinwenig Gedanken zu machen.Der Unterschied zwischen bei-den Mustern war minimal, wasdiese Antennen schon fast zuMessantennen qualifiziert DerGewinn lag mit 8 dBi etwas überdem im Datenblatt spezifiziertenWert. Über alles betrachtet re-

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Prüfstand | WLAN-Antennen

Huber+Suhner SPA 2400:konstanter Gewinn über dasWLAN-Band, sehr kompakt undunauffällig

präsentiert dieser Antennentypdie sprichwörtliche SchweizerPräzision.

WiMo PA-13R

Die WiMo PA-13R ist etwas tieferals das Huber+Suhner-Produktgebaut und macht einen ähnlichsoliden Eindruck. Der Steckver-binder ist in diesem Fall vom N-Typ, für die Befestigung am Mast

WiMo PA-13R: etwas klobig,aber mit hohem Gewinn

bestehen vielfältige Möglichkei-ten. Von der Bauart her handeltes sich bei dieser Flachantenneum ein Hybridquad, eine Draht-struktur befindet sich vor einergroßen Massefläche. Der Ge-winn lag mit 9 dBi etwas höherals bei der Huber+Suhner-Flach-antenne und blieb über das ge-samte WLAN-Band in dieserGrößenordnung. Bei der Reflexi-onsmessung trat zwischen denbeiden Mustern eine Differenzauf, die aber in der praktischenAnwendung für WLAN-Kartenkeine Bedeutung hat. Auch fürdieses Produkt gilt, dass es denbeabsichtigten Zweck sicher er-füllt.

Selbstbau-Hohlleiterantennen

Über die beruhend auf einer In-ternet-Anleitung selbst gebautePringles-Antenne sollte man lie-ber den Mantel des Schweigensbreiten. Obwohl wir uns verge-wissert haben, dass die Chipswirklich weggegessen waren,sind die elektrischen Eigenschaf-ten unserer Selbstbau-Antennemit 73 mm Innendurchmesserschlicht eine Katastrophe. Bei die-sem Durchmesser müsste diePringles-Dose nämlich rechne-risch mindestens einen halbenMeter lang sein, um überhauptals Hohlleiter in der oberen Hälftedes WLAN-Bandes zu funktionie-ren. Die Reflexionsmessung miteinem kompromissweise 65 mmvom Dosenboden montiertenλ/4-Strahler zeigte eine viel zuhohe Resonanzfrequenz, und inder Mitte des WLAN-Bandes wur-den über 85 % der Leistung zumSender zurückgeworfen. Ein leis-tungsstarker Sender würde dieskaum überleben. Von einem An-tennengewinn kann hier keineRede sein, über weite Bereichesteht der Marker im negativenBereich. Der Selbstbau war für dieKatz, hätte selbige das Antennen-kabel einfach nur abgenagt, wäredas Ergebnis vermutlich besserausgefallen.

Während die für 2,4-GHz-WLAN zu dünne Pringles-Dosemit Pauken und Trompetendurchfällt, funktioniert das Hohl-leiterkonzept mit Dosen von10 cm Durchmesser recht zuver-lässig. Das probierten wir mitzwei unterschiedlichen Typenaus, einer aus Vollblech (nurnatur Fruchtkaffee) und einer ausbeschichteter Pappe (Karo Land-kaffee). Das Konzept brauchtkeine Voodoo-Konstruktionenaus Alu-Stäben und Unterleg-scheiben im Inneren, ein einfa-cher Antennenstab (versilberterKupferdraht) mit einem Viertelder Wellenlänge reicht völlig aus.

Die Pringles-Dose (links)reflektiert fast die

gesamte Leistung zumSender, die s11-Kurve

liegt über weiteStrecken fast auf der

0-dB-Linie. DieKaffeedose schickt

dagegen wesentlichweniger Leistung zum

Sender zurück.

Und siehe da, plötzlich bringt dieDose mit N-Verbinder einen ge-scheiten Gewinn von rund9,5 dBi mit nur geringem Abfallzu den Bandgrenzen hin. Siezeigt auch ein durchaus anspre-chendes Reflexionsverhalten, dases über das gesamte Band mitden Industrieprodukten aufneh-men kann. Bei den Messungenwurden interessehalber auch dieAbstrahlwinkel ±30° überprüft.Dabei zeigte sich, dass die Doseerwartungsgemäß mit etwa 15°leicht nach oben schielt, wennder Kabelanschluss nach untenweist.

Bei der Dose aus beschichteterPappe war das Reflexionsverhal-ten messbar schlechter. Der Ge-

Die selbst gebaute Pringles-Antenne schlug sich in derMessung zwar besser als einloses Kabelende, aber deutlichschlechter als die Kaffeedose.

winn lag trotzdem noch bei gut9,5 dBi, wenn auch mit etwasmehr Abstrichen zu den Band-grenzen hin. Offenbar taugt Voll-blech besser als beschichtetePappe. Der entscheidende Unter-schied zur Pringles-Antenne liegtaber im Durchmesser der Dose.Wählt man diesen ausreichendgroß, dann funktioniert eine sol-che Selbstbau-Antenne als Hohl-leiter erstaunlich gut. Wichtig istdabei in jedem Fall eine hoheFertigungspräzision. Ein Problembeim Selbstbau ist freilich, dasseine messtechnische Prüfung nurmit hohem Aufwand möglich ist.

Das Innenleben der Dosen-antennen ist denkbar einfach:Für 2,4-GHz-WLAN genügt ein31 mm langer λ/4-Strahler ausversilbertem Kupferdraht.

Alternativ empfiehlt sich der Ver-gleich mit einer Industrieantenneunter Verwendung der Feldstär-keanzeige der WLAN-Karte.

Eine Bauanleitung für diesenAntennentyp findet man im Web(www.saunalahti.fi/elepal/antenna2.html). Das dort zu findendeJavascript-Applet rechnet fürden anzugebenden Dosendurch-messer und die gewünschte Be-triebsfrequenz die nötige Längeund den Montagepunkt desStrahlers aus. Passende N-Buch-sen und Stecker sowie Kabel gibtes im Fachhandel, siehe Käst-chen „Materialquellen" auf Seite181.

SSB-ElectronicLink 45 Set

Das Kit von SSB-Electronic nimmteine Sonderstellung ein, da es auseiner Richtantenne plus aktivemVorverstärker besteht. Außerdemgehören zwei Koaxstücke (1 und20 m) aus hochwertigem Kabelsowie ein Einspeiseadapter zumLieferumfang. Der Vorverstärkerhängt über das kurze Kabel direktan der Antenne, das lange Kabelführt man dann zum WLAN-Gerätweiter. Dort speist man über denAdapter die Versorgungsspan-nung ein. Der typische Einsatzbe-reich dieses Kits sind Richtfunk-strecken.

Zwecks Vergleichbarkeit wur-den zunächst die Antennen im

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Prüfstand | WLAN-Antennen

selben Messaufbau wie die übri-gen Kandidaten geprüft. Dasergab mit über +15,5 dBi denhöchsten Gewinn dieses Tests,wobei sich die beiden Prüflingeleicht unterschieden. Die Diffe-renz kann aber bei einer so star-ken Bündelung auch aus nichthundertprozentig exakter Aus-richtung resultieren. Gerade beihochgradig auf Richtwirkung ge-trimmten Antennen kann derMessaufbau bezüglich der letz-ten dB Genauigkeit an seineGrenzen kommen.

Das Reflexionsverhalten istebenfalls über das gesamte Fre-quenzband ordentlich, wobeiauch hier ein Exemplar bessereWerte zeigte. Eine Messung desbeigelegten Kabels ergab etwa4,5 dB Dämpfung über 20 m; dieresultierenden 0,22 dB/m sindein ordentlicher Wert, der sichwohltuend von Billigkabeln ab-

Profilösung zum Profipreis: Mitdem Link 45 Set von SSB kannman lange Antennenkabeleinsetzen, im Sendebetriebim erlaubten Leistungsbereichbleiben und trotzdem vieleKilometer überbrücken.

hebt, die mehr als 1 dB/m verlie-ren. Allerdings ist das Kabel miteinem Zentimeter Durchmesserrecht dick und steif, also nichtleicht zu verlegen. ScharfeKnicke muss man dabei unbe-dingt vermeiden.

Der Vorverstärker wurde se-parat vermessen und zeigte inEmpfangsrichtung eine Rausch-zahl von 2,3 dB, was nach der Er-fahrung des Autors einen ausge-zeichneten Wert darstellt. Infol-ge der Verstärkung in Empfangs-richtung von 10 dB bleibt trotzdes langen Kabels eine Restver-stärkung von 6 dB. Da dieRauschzahl des Vorverstärkersdeutlich besser sein dürfte alsdie der meisten WLAN-Karten,dürfte unterm Strich eine Reich-weitenerhöhung resultieren; derVorverstärker funktioniert alsausgelagertes besseres Frontendder WLAN-Baugruppe.

Die Umschaltung in den Sen-debetrieb erfolgt durch die anlie-gende Leistung am WLAN-seiti-

gen Port, was ab etwa 0 dBmmesstechnisch erkennbar war.Das Modul hat dabei allerdingseinen Einfügeverlust von rund5 dB, in Senderichtung wird nichtaktiv verstärkt. Zusammen mit derKabeldämpfung von ebenfalls4,5 dB reduziert sich damit imSendebetrieb der Gesamtgewinnder Anlage auf etwa 6 dB. Mit dentypischen +13 dBm Ausgangsleis-tung marktüblicher WLAN-Bau-gruppen liegt man damit noch imerlaubten Bereich. Die messtech-nischen Daten des Kits deuten an,dass sich damit bei hindernisfreierStrecke Reichweiten von einigenKilometer erreichen lassen, derHersteller spricht bei diesem Pro-dukt von sechs Kilometer. Der ge-samte Aufbau macht zudemeinen mechanisch soliden Ein-druck.

FazitDer Test zeigt ein insgesamt rechterfreuliches Ergebnis, die kom-

merziellen Antennen halten miteiner Ausnahme weitgehend ihreVersprechen ein. Die Flachanten-nen haben einen qualitativ gutenEindruck hinterlassen. Seinenhohen Preis kann das SSB-Kitrechtfertigen, es dürfte eine guteGrundlage für stabile WLAN-Richt-funkstrecken über mehrere Kilo-meter bilden. Auch ein Selbstbaueinfacher Antennen ist machbar,doch kommt es auf passendesAusgangsmaterial und Genauig-keit beim Aufbau an. Bei einerDose mit zu geringem Durchmes-ser reißen auch aufwendige Tricksnichts mehr raus, denn die Phy-sik lässt sich nicht überlisten.(ea)

0liver Bartels (oliver@bartels.de)ist Geschäftsführer der Bartels Sys-tem GmbH und entwickelt aktivHochfrequenz- und DSP-Baugrup-pen. Außerdem betreut er den In-ternet Service der GmbH, woraussich zwangsläufig die Beschäfti-gung mit dem Thema WLAN fürService Provider ergibt.

c't 2003, Heft 9 183

Im unteren Teildes WLAN-

Bandes hat diePringles-Dose

(links) alsHohlleiter sogar

einen Verlust(Kurve unter

0 dB), wogegendie Kaffeedosemit fast 10 dBi

so gut wiekommerzielle

Antennen funkt.