Auszug WLAN-Antennen

8/3/2019 Auszug WLAN-Antennen

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WLAN-AntennenAuszug aus einer Bachelorarbeit von Michael Reimann

Wesentliche Hardware-Komponenten bei der Planung von WLANs sind die einge-setzten Antennen. Im folgenden Kapitel werden deshalb die Einsatzmglichkeitender bekanntesten Antennentypen im Rahmen von WLAN erlutert und der Eigenbaueiner Yagi-Antenne beschrieben.

1 Arten und Charakteristiken von WLAN-Antennen

Bei aller Verschiedenheit der existierenden Antennentypen gibt es einigegrundlegende Kriterien, die fr den Einsatz mageblich sind. Diese sind die Form der Wellenausbreitung (engl. "propagation pattern") und das Ma der Verstrkung (engl."gain").

Man unterscheidet grundstzlich zwei Ausbreitungsmuster, die omnidirektionalen unddie direktionalen Antennen. Omnidirektionale Antennen senden kreisfrmig in

horizontaler Richtung, d.h. der Empfang ist dann am besten, wenn man sich auf der selben Hhe befindet und am schlechtesten direkt unter der Antenne. DirektionaleAntennen ermglichen, wie der Name schon sagt, die Ausrichtung der Wellen ineiner bestimmten Richtung. Eine hufig verwendete Anordnung ist z.B. ein Access-Point mit einer Omnidirektionalen Antenne, auf die ein Client-Rechner seinedirektionale Antenne richtet. Wegen der verwendeten hohen Frequenz wird zwischenden Antennen Sichtverbindung (engl. "line of sight") bentigt, d.h. zwischen Punkt A

und B sollten sich keine physikalischen Hindernisse wie Gebude, hohe Hecken,Mauern oder dergleichen befinden. Auch Bume knnen ein Hindernis darstellen. Dadie Wellen die Luft durchdringen mssen, leidet die Verbindungsqualitt auch unter hoher Luftfeuchtigkeit, Regen oder Schneefall. Die Qualitt eines Signals wird als"Signal-to-noise ratio" (SNR) angegeben. Der Signal/Rauschabstand gibt an, umwelchen Pegel sich das Signal ber den Grundrauschen am Empfnger abhebt. Istdas Verhltnis zu klein, so knnen keine Daten mehr empfangen werden.

Umgangssprachlich sagt man in diesem Fall: Das Signal geht im Rauschen unter.


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Oftmals stimmen die Charakteristiken der mitgelieferten Sendeantennen an WLAN-Accesspoints nicht mit dem geforderten Ausleuchtungsgebiet berein. Die meistenHersteller von WLAN-Systemen bieten daher ein breites Spektrum an zustzlichenAnntennen an. Durch die Wahl der richtigen Antenne kann der eine oder anderezustzliche Access-Point eingespart und das Signal dadurch in einer bestimmtenUmgebung optimiert werden.

WLAN arbeitet im 2,4 GHz ISM Band mit einer Mittenfrequenz von 2,450GHz. Darauf sind die meisten Antennen angepasst, um einen symmetrischen WellenReflexionsverlauf zu gewhrleisten. uerst wichtig ist eine optimale Verbindungzwischen dem Sender und der Antenne. Da es sich bei der eingesetztenWellenlnge bereits um Mikrowellen handelt, sind auch entsprechende Kupplungenund Stecker zu verwenden. Die Kabel- und Steckereigenschaften knnen anhandvon Datenblttern meist schnell ermittelt und entsprechend gewhlt werden.

Im Bezug auf die Wellenausbreitung gibt es jedoch kein Patentrezept. Abhilfe kannhier nur die Wahl der richtigen Antenne schaffen. Deshalb sollte bereits bei der Planungsphase vor allem auch auf Behinderungen in der Wellenausbreitung

geachtet werden.

Behinderungen knnen sein:

Absorbtionen Biegungen Blockierungen Brechungen Durchdringungen Reflexionen/Mehrwegeempfang

Alle hier aufgefhrten Punkte wirken sich als Dmpfungsfaktor aus und knnen das

Signal zum Teil vollstndig auslschen.


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Bei Antennen ist es auch besonders wichtig, dass diese zueinander ausgerichtetsind. Dies muss nicht immer ber eine direkte Sichtverbindung erfolgen. EineVerbindung kann z. B. auch ber eine reflektierende Hauwand aufgebaut werden.

Generell ist zu sagen, dass die in einem System eingesetzten Antennen

mglichst

die gleiche Mittenfrequenz aufweisen die gleiche Polarisationsebene benutzen abgeschirmt von Strquellen sein nicht auf Strquellen ausgerichtet sein

1.1 Signalverstrkende Eigenschaften von Antennen

Um das Ma des Antennengewinns in einem Zahlenwert angeben zu knnen, sollnachfolgend der Begriff dBi (dB-Verstrkung) erlutert werden:

Ein Access-Point besitzt z.B. eine Sendeleistung von ca. 35mW (Milliwatt) an einem50Ohm Abschluss. Dies entspricht einem Wert von 15dBm (dB, bezogen auf 1Milliwatt). Um den Verstrkungsgrad einer Antenne in einer Zahl auszudrcken, wirddieser Zahlenwert jedoch in dBi angegeben; also auf die Verstrkung i bezogen.Wird nun diese Sendeleistung an einen isotropen Kugelstrahler gelegt, so ergibt dieseine quivalente Strahlungsleistung von 15dBm EIRP. Der Wert dB gibt somit denGewinn in der Hauptstrahlrichtung gegenber einem isotropen Kugelstrahler an,welcher einen Antennengewinn von 0dBi besitzt. Folgendes Beispiel soll diesveranschaulichen:

Rechenbeispiel:

Sendeleistung am Access-Point: 10dBm (10mW)


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Gewinn der Antenne: 5dBi

EIRP = Sendeleistung [dBm] + Antennengewinn [dBi]

Ergebnis: 10dBm + 5 dBi = 15dBm EIRP

Die Abstrahleigenschaft einer Antenne unterscheidet sich meist deutlich zwischenhorizontaler und vertikaler Richtung. Um dies zu veranschaulichen, wird einRundstrahldiagramm in einem Polarkoordinatensystem erzeugt. Die Antennebefindet sich in der Mitte des Diagramms. Nun wird gemessen, ab wann das Signalin einer bestimmten Richtung und in einer bestimmten Entfernung um 3dB abfllt. AmEnde erhlt man eine oder mehrer Flchen, in der das Signal nicht um 3dB kleiner wird. Diese Flche(n) sind auer beim Rundstrahler meist keulenfrmig. Oftmalsbilden sich auch weitere Flchen ab, die dann als so genannte Nebenkeulen der Antenne bezeichnet werden. Der Antennegewinn wirkt sowohl sende- als auchempfangsseitig!

1.1 Antennenarten und deren Besonderheiten

Der Rundstrahler:

Die wichtigste und am meisten verbreitete Antenne ist der Rundstrahler. Er besitzt

eine Strahlerlnge von lambda/2. Dieser Antennentyp weist eine sehr radialeabstrahlende Charakteristik mit vertikaler Polarisation auf. Durch eine Stockung desStrahlers kann zudem ein hherer Gewinn erzielt werden. Allerdings wird dadurch diewirksame Ebene (Scheibe) flacher und strker gerichtet (Bild 1a, 1b). Der lamda/2Rundstrahler weist einen typischen Gewinn von 3dBi auf und ist fr eine PTMP-Versorgung ausgelegt.


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(Bild 1a) links, Rundstrahlantenne mit Montage-oder Magnetfu. (Bild 1b) rechts, dasantennentypische Strahlungsdiagramm.(Quelle: Fa. HyperGain)

Optimale Ergebnisse knnen mit dieser Antennenart z.B. in Gebudegeschossen mithochfrequenzdurchlssigen Trennwnden erzielt werden. Die meist aus Holz oder Gips bestehenden Trennwnde verursachen kaum Reflexionen und die Hhe desAufstellpunkts entspricht meistens der Hhe eines Schreibtisches, auf dem sich der

mit WLAN zu versorgende Client befindet. Zu beachten ist jedoch, dass sich keineelektromagnetischen Hindernisse im Nahfeld des Access-Point befinden. Dieseknnten die Charakteristik durch Reflexionen stark negativ beeinflussen.

Die Discone-Antenne:

Die Discone-Antenne weist hnliche Ausleuchtungseigenschaften auf, wie der Rundstrahler. Sie bndelt jedoch die Wellen noch strker in einer Ebene. Somit bildetsich ein flacher Ausleuchtungskegel. (Bild 2a, 2b). Die Polarisation ist ebenfallsvertikal. Der Gewinn ist mit 3dBi bis 3,5dBi typisch und fr eine PTMP ausgelegt.


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(Bild 2a) links, Discone-Antenne mit Abdeckkappe.(Bild 2b) rechts, das vertikale Strahlungsdiagrammweist eine Nierencharakteristik auf.

(Quelle: Fa. HyperGain)

Das Einsatzgebiet umfasst insbesondere Rume mit hohen Zimmerdecken, um eineoptimale Ausleuchtung im gesamten Raumvolumen zu bekommen. Diese homogeneAusleuchtung wre mit einem Rundstrahler nicht mglich.

Die Yagi-Antenne:

Durch den variabel bndelbaren Strahlengang in der horizontalen Ebene, abhngigvon der Antennenlnge und dessen Gewinn, ist diese Antenne sowohl fr PTMP alsauch fr PTP geeignet. Sie weist zudem einen sehr hohen Polarisationsgrad auf, der bei einer PTP-Anwendung wesentlich zur Beseitigung von Strfaktoren beitragenkann. Je lnger der Boom dieser Antenne ist, desto grer werden die Wellengebndelt und desto grer ist der Gewinn. Zwischen Lnge und Gewinn bestehtallerdings kein linearer Zusammenhang, so dass es ab einem bestimmten Gewinnnicht mehr wirtschaftlich sinnvoll ist, die Antenne weiter zu verlngern. DieBandbreite wird durch die Lnge und den Abstand der passiven Elemente bestimmt.Ein Antennendesign mit einem Gewinn von mehr als 18dBi ist fr eine PTP Yagi-Antenne durchaus ein gebruchlicher Wert. Fr eine gebndelte PTMP sind Werte inden Bereichen zwischen 5dBi und 15dBi zu verwenden.


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Die horizontale Polarisationsebene sollte bevorzugt benutzt werden, da die meistenStrquellen vertikal polarisiert wirken und dadurch stark gedmpft werden.

(Bild 3a) rechts, Yagi-Antenne mit Schutzkappe gegenKorrosion und Feuchtigkeit. Um eine ideale Ausrichtung zuerreichen ist das Mastelement im Winkel einstellbar.

(Bild 3b) unten links das vertikale Strahlungsdiagramm, rechtsdie horizontale Komponente. (Quelle: Fa. HyperGain)

Die Parabol-Antenne:

Fr die reine PTP-Verbindung ist eine Parabolantenne die Lsung mit dem grtenAntennengewinn in Bezug auf die Antennengre. Fr den Antennengewinn ist dievom Erreger bestrahlte Flche magebend. Der Erreger kann horizontal, vertikaloder zirkular polarisierend eingesetzt werden und wird im Brennpunkt des Spiegelsmontiert. Die Antennenform kann entweder aus dem klassischen Parabolspiegel oder der Offsetbauweise bestehen. Der Spiegel selbst besteht aus Vollmaterial oder

einem Drahtgeflecht, welches je nach Direktion (horizontal oder vertikal angeordnet-fr die Polarisation mageblich ist. Der Vorteil des Offsetspiegels besteht in der Neigung der Antennen. Bei horizontaler PTP-Verbindung kann sich im Offsetspiegel


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nahezu kein Schnee ablagern bzw. keine Eisschicht bilden. Ein Spiegel ausDrahtgeflecht bietet weniger mechanische Angriffsflche und besitzt daher einegeringere Windlast (Bild 4). Durch die extrem starke Bndelung knnen schon beiDurchmessern ab 0,3m bis zu 15dBi erreicht werden. Aufgrund der starkenBndelung ist eine sehr exakte Ausrichtung bei Verwendung von zweiParabolantennen notwendig.(Bild 4b).

(Bild 4a) links, Parabol-Antenne in Vollmetall-Ausfhrung(Bild 4b) rechts, entsprecht das Strahlungsdiagramm(Quelle: Fa. HyperGain)

Entsprechend eines definierten Bedarfs kann somit entweder eine groe Entfernungberbrckt oder gezielt eine bestimmte Flche mit WLAN versorgt werden. Zubeachten ist jedoch, dass der jeweilige Hchstwert am Aufstellungsort eingehaltenwird. Auch wenn der Sender selbst die geforderte Hchstleistungsvorschrift erfllt,darf nicht jede beliebige Antenne angeschlossen werden. Magebend ist, welcheLeistung im Abstand Null zur Antenne abgestrahlt wird. Eine Verstrkung der Sendeleistung durch einen kaskadierten Verstrker ist derzeit in Deutschland

generell verboten. Ein gegebenenfalls erforderlicher Eingangsverstrker kann


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hingegen bei einer PTP-Verbindung nochmals eine Schlechtwetter-Reserve(Marging) bewirken.

2 Design und Fertigung einer Yagi-Antenne fr 2,4GHz

Wie im Kapitel 1.2 behandelt, besitzt eine Yagi-Antenne wesentliche Vorteilegegenber den anderen gebruchlichen Antennenarten bezglich einer PTP-Verbindung. Da es sich bei WLAN um einen sehr hohen Frequenzbereich handelt,liegen die mechanischen Abmessungen meist unter einem Meter. Die auf dem Markterhltlichen Yagi-Antennen sind zwar qualitativ sehr hochwertig, aber angesichts desgeringen Absatzes noch stark berteuert. In dem nachfolgenden Projekt soll nungezeigt werden, wie mit geringem Materialaufwand und einfachen Mitteln eine Yagi-Antenne in Eigenbauweise hergestellt werden kann. Anschlieend wird einAntennenabgleich im Labor der Firma IAT Starnberg erfolgen. Ein Vergleich mit einer am Markt erhltlichen vergleichbaren Antenne soll zum Schluss zeigen, dass mitgeringem Kostenaufwand eine gleichwertige Antenne selbst hergestellt werden kann

2.1 Berechnung und Design

Eine Yagi-Antenne besteht aus einem Boom, den passiven Elementen und demaktiven Element, dem so genannten Dipol. Letzterer speist die Antenne und bestehtmeist aus einem lambda/4 Dipol. In Abhngigkeit des Durchmessers kann hier diemaximale Leistung ermittelt werden, die der Antenne zugefhrt werden darf. Daspassive Element hinter dem Dipol wird als Reflektor, das passive Element vor demDipol wird als Direktor oder parasitres Element bezeichnet. Der Direktor ist daskritischste Element im gesamten System, da hier bei der Fertigung der errechneteAbstand przise eingehalten werden muss, um einen mglichst kleinenReflektionsfaktor zu bekommen. Die Lnge und der Abstand der passiven Elementebestimmen die Bandbreite der Antenne. Bei exakt gleichem Abstand und gleicher Lnge der Elemente wrde die Antenne theoretisch eine Bandbreite von 0 MHz

besitzen.


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Weiterhin von Bedeutung ist, ob der Boom metallische Eigenschaften aufweist undob die Elemente durch den Boom isoliert verlaufen oder einen elektrischen Kontaktaufweisen. Im Falle des elektrischen Kontakts oder einer bloen Isolierung ist einKorrekturfaktor notwendig.

Fr das Projekt Yagi-Antenne wurden folgende Materialien ausgewhlt:

Boom: Rundholz, 10mm Passive Elemente: Messing, rund, 2mm Durchmesser Aktives Element: Messing, rund, 2mm Durchmesser

Die Berechnung einer Yagi-Antenne kann sowohl von Hand, als auch durchzahlreiche Software-Lsungen erfolgen. Besonders wenn die Antenne eine hoheBandbreite aufweisen soll, wird die Anzahl der Gleichungen sehr schnellunberschaubar. Mittlerweile sind zahlreiche Programme auf dem Markt, welchezuverlssig das geforderte Design mit den entsprechenden Parametern errechnen.Fr dieses Projekt wird auf eine Software des Amateurfunkers DL6WUzurckgegriffen. (Bild 5).

Das Antennendesign soll mit folgenden Vorgaben und Parametern errechnet

werden:

Typ: Yagi, 1 aktives Element Gewinn: 15dB 20 25 Grad ffnungswinkel VSWR: 1:1,2 1:1,4 Boom: PVC, rechteckig, 10mmx10mm Passive Elemente: Messing, rund, 2mm Durchmesser Aktives Element: Messing, rund, 2mm Durchmesser


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(Bild 5), das DOS-Programm errechnet aus den eingegebenen Parametern den Durchmesser desBooms, sowie den notwendigen Antennengewinn entsprechend dem ffnungswinkel und zustzlichdie Abstnde fr eine gestockte Antennenvariante

Nachdem die angezeigten Werte den Vorgaben entsprechen, kann nachfolgend daserrechnete Antennendesign angezeigt werden. Sollten die Werte nicht den

Anforderungen entsprechen, so knnen die Parameter Boomlnge,Elementdurchmesser oder Gewinn verndert werden.

Das Antennendesign wird tabellarisch anschaulich ausgegeben. Es zeigt einerseitsauf der linken Seite den Abstand (bezogen auf den Reflektor) der nachfolgendenElemente an und andererseits auf der rechten Seite die Lnge der Einzelelemente.(Bild 6).

Die Einhaltung der vorgegebenen Toleranz bestimmt den Reflektionsfaktor. Wieschon im vorigen Abschnitt erwhnt, ist besonders das 3. Element der Antenne, der Direktor, magebend fr diesen Faktor. Da die maximalen Abweichungen bei diesemProjekt nicht eingehalten werden konnten, war es mglich, durch Vor- oder Zurckbiegen des Direktors ebenfalls den niedrigsten Reflektionsfaktor per Fine-Tuning ausfindig zu machen. Der Einfluss aller anderen Elemente auf den

Reflektionsfaktor ist relativ gering, so dass hier grere Abweichungen bei denBohrabstnden toleriert werden knnen.


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(Bild 6) Auf der linken Seite der Tabelle befindet sich der Abstand bezogen auf das Reflektorelement,auf der rechten Seite die Lnge des jeweiligen Elements.

2.2 Antennenanpassung

Da am aktiven Element, dem Dipol, keine symmetrische Speisung angelegt wird,muss eine Anpassung erfolgen. Die Anpassung erfolgt mit Hilfe einesasymmetrischen Schleifendipols (lambda/4-Transformator). Dies hat zur Folge, dassder Fupunktwiderstand der Antenne mit der Impedanz des Senders bereinstimmt.Der hier erforderliche Wert betrgt Z = 50 Ohm. Im diesem Fall wird eineLeistungsanpassung vorgenommen.


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Dieses Verfahren besitzt, wenn es sehr genau angewendet wird, den hchstenWirkungsgrad. Das bedeutet, die an der Antenne angelegte Leistung wird auch zufast 100% abgestrahlt. Die Ohmschen Verluste durch das Material sindvernachlssigbar gering. Je niedriger die Frequenz ist, desto einfacher ist dieAnpassung. Jede Abweichung der Metallverbindungen von der ursprnglichenPosition (z.B. durch Erschtterung, Transport, etc.) wirkt sich negativ auf denReflektionsfaktor aus.

Die Anpassung des Dipols wurde im Labor der Firma IAT, Starnberg mit

folgenden Gerten vorgenommen:

Spectrumanalyzer: HP 70206A Frequenzgenerator: Wandel & Goltemann SNA62 Richtkoppler: HP 86205A, 100KHz 6GHz, 50Ohm, 16dB Koppeldmpfung,

1,5dB lossDie Anpassung wurde nach dem Aufbau Bild 7 vorgenommen:

Antenne

Spectrumanalyzer

Frequenzgenerator

Sende Signal

Reflektiertes Signal

Sende-SignalRichtkoppler

Reflektiertes Signal

(Bild 7), Messauf zur Bestimmung des Reflektionsfaktors. Der Richtkoppler zweigt die reflektierteWelle ab und gibt diese an den Spectrumanalyzer weiter.

Der Frequenzgenerator liefert ein durchlaufendes Signal von 2200MHz bis 2600MHz(Sweep-Mode). Dieses Signal durchluft anschlieend einen Richtkoppler. Am ersten


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Ausgang wird die abzustimmende Antenne angeschlossen. Bei einer falschenAnpassung wird die Welle am Dipol reflektiert und ber den Richtkoppler am zweitenAusgang ausgekoppelt. An diesem Ausgang ist ein Spectrumanalyzer angeschlossen, der auf die Mittenfrequenz der Antennen eingestellt ist und einFrequenzintervall von ca. 300MHz durchluft. Nach einer gewissen Zeit bildet der Bildschirm den Reflexionsverlauf der Antenne ab (Bild 8).

(Bild 8), Reflektions-Spektrum der Yagi-Antenne. Deutlich sind dieMaxi- und Minima zu erkennen.Das kleinste Minima stellt dieFrequenz mir der geringstenReflexion dar.

Durch die Kabelzufhrung entstehen Maxima und Minima nach dem Richtkoppler. DaWellen unterschiedlicher Frequenz durch die Leitung hin- und zurcklaufen, kommtes bei bestimmten Frequenzen zu einem Minima und bei anderen zu einem Maxima.Je Lnger das Kabel vom Richtkoppler zur Antenne ist, desto grer wird diePeriodendauer. Wenn die Antenne daher direkt hinter dem Richtkoppler angeschlossen wre, wrde lediglich das Minima der Anpassung auftreten.

Um nun einen Punkt der minimalen Reflektion zu finden, muss der Verbindungsdraht jeweils in Millimeterschritten in Richtung Dipolmitte verschoben und die obigeMessung wiederholt werden. An manchen Drahtpositionen wird sich die Reflektionverstrken an anderen wiederum abschwchen. Ist der minimale Wert ermittelt, so istdie Antenne bestmglich angepasst (Bild 9).


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(Bild 9), als besonders schwierigerwies sich die Anpassung desDipols ber diese lamda/4 -Anpassung

Nicht jede Antenne weist das gleiche Reflexionsverhalten auf. Bei breitbandigenAntennen ist das Minima sehr flach abfallend und ansteigend, bei schmalbandigenAntenne ist es wiederum sehr steil ausgeprgt (Bilder 10a und Bild 10b).

(Bild 10a, links), Reflektionsspektrum zum Testempfang eingesetzten Discone. Das Minimum zeigteinen sehr flachen Verlauf, d.h. die Antenne ist sehr breitbandig in der Anpassung.(Bild 10b, rechts), Reflektionsspektrum der Parabolantenne. Diese Antenne wird spter alsVergleichsantenne im Freifeldtest verwendet. Das steile Minimum steht fr sehr schmalbandig.

Die bisher erwhnte Bandbreite bezieht sich nur auf die Anpassung, nicht auf denAntennengewinn. Es ist durchaus mglich, eine Antenne fr eine bestimmteFrequenz anzupassen, ohne dass diese auch den maximalen Gewinn bei dieser

Frequenz besitzt!


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2.3 Fernfeldmessung im Labor

Nachdem die Anpassung des Dipols optimiert wurde, wird nun ein Fernfeldtest

durchgefhrt. Bei diesem Projekt wurde auf eine Fernfeldmessung in einemgesonderten Labor (z.B. Compact Range) aus Kostengrnden verzichtet.

Das Fernfeldberechnung einer Antenne mit einer 2,4GHz Betriebsfrequenz.:

Fernfeldbedingung:

Mit: D = grte strahlende Abmessunglamda = Wellenlnger = Mindestdistanz fr Fernfeldeigenschaften

Nachdem sich die Empfangsantenne bei 6m Abstand zur Sendeantenne nicht einmalannhrend im Nahfeld befindet, kann nun ein entsprechender Messaufbau erfolgen(Bild 11).

Antenne

Spectrumanalyzer

Frequenzgenerator

Empfangs-Signal

Sende-Signal

Messantenne

Fernfeld-Abstand

(Bild 11), Aufbau der Fernfeldmessung im Labor. Der Abstand der beiden Antennen muss grer oder gleich dem vorherigen errechneten Wert betragen.


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Zum ermitteln der qualitativen Charakteristik wird die Antenne an den Messender angeschlossen. Der Messsender arbeitet nun nicht mehr im Sweep-Mode, sondernsendet einen konstanten unmodulierten Trger aus (CW-Mode). Eine Messantennewird zum Empfang im Fernfeld positioniert. Bei diesem Projekt wird die im vorigenAbschnitt vermessene Discone verwendet, da diese Antenne sehr breitbandig ist unddaher keine Pegelkorrektur notwendig ist. Der Spectrumanalyzer zeigt nun die an der Messantenne einfallende Empfangsleistung an.

Um einen spektralen berblick zu bekommen, wird der Messsender wieder in denSweep-Mode geschaltet. Empfangsseitig erscheint am Bildschirm der qualitativeFrequenzgang der Antenne (Bilder 12a und Bild 12b).

(Bild 12a, links), Frequenzgang der selbst entworfenen Yagi-Antenne. Der Empfangspegel betrgt-59dBm(Bild 12b, rechts), Frequenzgang der Parabolantenne der Firma HyperGain. Der Empfangspegelbetrgt -61dBm

Deutlich ist zu erkennen, dass sich die abgestrahlte Leistung der Parabolantenne

trotz der schmalbandigen Anpassung sehr konstant verhlt. Die abgestrahlteLeistung ber die Yagi-Antenne bricht bei ca. 2,6GHz pltzlich ein. Beide Antennenverhalten sich jedoch im Intervall der Betriebsfrequenzen konstant.

2.4 Freifeldmessung

Um einen realittsnahen Vergleich fr eine PTP-Verbindung mit der Eigenbau-

Antenne und der Parabolantenne der Firma Hypergain zu bekommen, werden die


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beiden Strahler in der freien Umgebung, also im Freifeld getestet. Auch hier mussvorher geprft werden, ob der zu messenden Frequenzbereich frei von Strungen ist.Die Messung wurde auf einer Anhhe in der Nhe von Palsweis (LandkreisFrstenfeldbruck) vorgenommen. Dieser Standort (ehemaliges Gelnde fr dasFlugfunkfeuer FFB) erwies sich aus eigener Erfahrung als am besten geeignet, da esdort keine Hindernisse in der Frenel-Zone gibt.

Zur Messung wurden folgende Gerte verwendet:

12V Gel-Akku zur Spannungsversorgung am Feld WLAN Access-Point: AllNet Notebook: Toshiba Satellite, zirkular polarisierte Antenne Software: Network-Stumbler, v2.04 GPS-Modul: Antennenstativ zur Ausrichtung des DUT

Die Speisung der jeweiligen Antenne erfolgt ber den Access-Point (Bild 13). Dieinstallierte Software am Notebook erstellt ein log-File mit den Empfangspegeln der integrierten WLAN-Karte an einer bestimmten Position. Die Positionsdaten werdenber GPS ermittelt. Um eine gleichwertige Messung zu erhalten, wird bei beidenAntennen ber die gleiche Entfernung gemessen.

Die Sende-Antenne befindet sich auf einer Anhhe (615 m NN). Der Empfnger ist

ebenfalls auf einer Anhhe (611 m NN). Die Entfernung zum Empfnger betrgt 810m. Die beiden Messpunkte werden durch ein Tal getrennt.


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(Bild 13), Messaufbau der Parabolantenne auf einem Stativ mit angeschlossenem Access-Point undeinem Gel-Akku als Stromversorgung.

Der Empfangspegel wird am Bildschirm grafisch in der Einheit dBm dargestellt. Eserfolgt eine Messung pro Sekunde ber einen Zeitraum von ca. fnf Minuten. Alserstes wird der Empfangspegel der Referenzantenne (Firma HyperGain, Datenblatt

im Anhang) gemessen (Bild 14).

(Bild 14), Empfangspegel nach ca. 800m Entfernung zum Sender. Gemittelt ber die Zeit ergibt sichein Wert von ca. -68dBm.


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Der gemessene Wert der Parabolantenne wird nun als Referenzwert verwendet. InAnbetracht der entnommenen Werte aus dem Datenblatt der Parabolantenne undden errechneten Werten der Yagi-Antenne, kann nun ein quantitativer Vergleicherfolgen (Bild 15).

(Bild 15), Empfangspegel der Yagi-Antenne. Die Messung beginnt ab 16:07:00. Gemittelt ber die Zeitergibt sich ein Wert von -69dBm.

2.5 Zusammenfassung der Vergleichsmessung

Trotz der unterschiedlichen Bauart weisen beide Antennen etwa die gleicheCharakteristik auf. Die Vergleichsmessung zeigt, dass mit relativ geringem Aufwanddurchaus akzeptable Werte mit einer selbst entworfenen Antenne erreicht werdenknnen. Vernachlssigt man den Anpassungsfehler am Dipol, so knnten durchausnoch hhere Signalpegel am Empfnger erreicht werden. Der Abgleichaufwand vonber vier Stunden spricht jedoch nicht gerade fr hohe Wirtschaftlichkeit.


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Ein groes Problem liegt in der Serienfertigung von Antennen in diesem und inhheren Frequenzbndern. Die Serienfertigung erlaubt bei einer kostengnstigenProduktion nur eine schlechte Einhaltung der Toleranzwerte. Bezogen auf die kurzeWellenlnge ist allerdings die Einhaltung von groer Bedeutung, um eine optimaleEndstufenanpassung zu erreichen und damit 100% der gespeisten HF-Energie ber die Antenne abstrahlen zu knnen. Die meisten Hersteller gehen davon aus, dassdie Antenne mit sehr geringer Sendeleistung betrieben wird und schlieen die darausresultierende Zerstrung der Sende-Endstufe durch einen zu groenReflektionsfaktor aus.

Wird eine Antenne mit hhere Sende-Leistung betrieben, so ist darauf zu achten,dass diese unbedingt angepasst wird. Die Anpassung kann mit einer sogenanntenMatchbox realisiert werden. Sie wird in Reihe zwischen Antenne und Sender geschaltet und kann durch Verstimmen diverser Anpassungskreise einen nahezurefelxionsfreien Betrieb gewhrleisten.

3 Passive Strungen Fading und Mehrwegeempfang Dmpfung Beugung (aufgrund der geringen Distanzen bei WLAN meist nicht vorhanden)

Wenn von passiven Strungen die Rede ist, sind meistens die beiden am hufigstenauftretenden Strungen, das Fading und die Dmpfung, gemeint.

Fading und Mehrwegeempfang:

Das durch Fading belastete Signal zeichnet sich durch extreme Pegelschwankungenaus. Das Signal wird von Wnden oder anderen physischen Hindernissen reflektiertund kommt zeitversetzt mehrfach beim Empfnger an (Mehrwegeempfang). Durchdie berlagerung der einzelnen Signale entsteht ein Versatz gegenber dem

ursprnglichen Phasenverlauf. Je nach Standort des Empfngers und des Senders,sowie der reflektierenden Objekte ist der Signal-Pegel strker oder schwcher.


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Theoretisch ist bei 90 Grad Phasenversatz sogar eine vllige Auslschung mglich.Bewegen sich reflektierende Objekte, kommt es zu Schwankungen. Solche Objekteknnen z.B. vorbeifahrende Autos an einer angrenzenden Strae sein. Auch nicht-metallische Objekte, wie etwa der Mensch, reflektieren die Wellen im 2,4GHz-Band.

Gegenmanahmen sind generell nur mit stark gerichteten Antennen mglich. Durchdie Vermeidung von Objekten in der Frenel-Zone ist ein Fading weitgehendauszuschlieen, da ein Mehrwegeempfang durch Reflektionen nicht zustandekommen kann.

Fr manche Anwendungen im 2,4GHz-Band ist eine Mehrwegeausbreitung sogar erwnscht. Ein grerer Raum knnte rein rechnerisch niemals vollstndig mit einer Antenne mit WLAN versorgt werden. Nur durch die Reflektionen an den Wnden isteine vollstndige Ausleuchtung mglich.

Dmpfung:

Ein gedmpftes Signal tritt theoretisch ab dem ersten Millimeter nach der Antenneauf. Allerdings ist man sich im Klaren darber, wie sich die gedmpfte Welle nacheiner bestimmten Entfernung verhlt. Oftmals lassen aber die rtlichenGegebenheiten keine direkte Sichtverbindung (LOS) zwischen Sende- undEmpfangsstation zu. In solch einem Fall mssen sogenannte Zusatzdmpfungen beider Berechnung der Gesamtdmpfung mit einkalkuliert werden (Bild 16).

Fr eine PTP-Verbindung ist es wichtig, dass in der Frenel-Zone keine Hindernissehineinragen. Dieser geforderte Fall wird als Freiraumbedingung bezeichnet. Einereine Sichtverbindung zwischen den Antennenstandorten untereinander gewhr-leisten nicht immer einen einwandfreien Empfang.

Freiraumbedingung:


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Mit: A = Radius der 1. Frenel-Zoned1 = Abstand des Empfngers vom Hindernisd2 = Abstand des Senders vom Hindernis

Sendemast Sendemast

Frenel-Zone

(Bild 16), durch Objekte innerhalb der Frenel-Zone kommt es zustzlich zu Dmpfungen

Wenn von einer Ebene ohne Hindernisse ausgegangen und die Erdkrmmungvernachlssigt wird, so kann mit Hilfe der nachstehenden Gleichung die Mindesthhevon Sender und Empfnger berechnet werden, bei der die Frenel-Zone gerade nichtden Erdboden berhrt (Bild 17).

Grundstzlich kann im gnstigsten Fall (keine Zusatzdmpfung!) mit folgender Gleichung der Empfangspegel am Empfnger berechet werden:

Mit: Pe = die am Empfnger ankommende LeistungPs = die von Sender Abgegebene LeistungGs = der Gewinn der SendeantenneGe = der Gewinn der Empfangsantenne

Der quadratische Faktor beschreibt die Dmpfung im Freiraum


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Sendemast Sendemast

Frenel-Zone

Erdoberflche (Bild 17), eine freie Frenel-Zone, die gerade nicht die Erdoberflche berhrt.

Aber nicht nur statische Objekte dmpfen das Signal. Luftfeuchtigkeit, Regen undSchneefall knnen das S/N-Verhltnis soweit abschwchen, dass eine Kommunika-tion zwischen Access-Point und Client nicht mehr mglich ist.

Um einer Dmpfung entgegenzuwirken gibt es die folgenden beiden Mglichkeiten:

Hhere Sendeleistung (auf beiden Seiten) Grerer Antennengewinn

Diese Manahmen werden als Marging bezeichnet. Das Marging ist als redundanteLeistung EIRP ber der notwendigen Leistung definiert. Somit kann auch unter schlechteren Bedingungen eine konstante Bitrate bertragen werden .

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