Letzte Aktualisierung: 11. September 2013 | 2234609 | Anbieterkennzeichnung
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Parallel geschaltete Richtantennen

Neben dem Verfahren, unterschiedlich starke Antennen getrennt zum Senden und Empfangen zu verwenden (Diversity-Mode) gibt es noch eine weitere, recht simple Methode den Empfangsgewinn zu steigern.

Parallel geschaltete Yagi-Richtantennen
Parallel geschaltete Yagi-Richtantennen
Illustration basierend auf
Werkfoto WiMo

Bei diesem Verfahren werden zwei oder mehr baugleiche Richtantennen durch einen Anpasstopf verbunden und exakt parallel ausgerichtet.

Das Foto links zeigt vier Yagi-Richtantennen. In diesem Beispiel handelt es sich um Antennen des Typs YA-2400-18 der Firma WiMo für den 2,4-GHz-Bereich. Für den 5-GHz-Bereich gilt das selbe Grundprinzip. Dort werden dann lediglich Richtantennen in Panel- statt Yagi-Bauweise verwendet.

Die einzelnen Antennen sind parallel zueinander ausgerichtet und weisen alle die selbe Polarisation auf. Jede Antenne besitzt einen Antennengewinn von 18 dBi. Bei der Montage sollte auch auf symmetrische Abstände zwischen den einzelnen Antennen geachtet werden.

An die einzelnen Antennen werden handelsübliche Koaxialkabel angeschlossen. Jedoch ist dabei sehr sorgfältig darauf zu achten, daß alle Koaxialkabel exakt die selbe Länge aufweisen. Dies ist wichtig um eine identische Signallaufzeit zu gewährleisten. Unterschiedlich lange Kabel führen im ungünstigsten Fall zu einer Signalauslöschung. Es kommt dann keine WLAN-Vebindung mehr zustande.

Antennenanordnung und Öffnungswinkel

Schaltet man mehrere Antennen parallel, so hat dies auch Auswirkungen auf die physikalischen Funk-Eigenschaften der Antenneninstallation. Die sogenannte "Richtkeule" deformiert sich. Dadurch verändert sich der Öffnungswinkel.

Ordnet man die Antennen wie auf dem Bild gezeigt übereinander an, so verkleinert sich der vertikale Öffungswinkel gegenüber der Angabe im Datenblatt einer einzelnen Richtantenne. Ordnet man die Antennen nebeneinander an, so verkleinert sich der horizontale Öffungswinkel.

Um eine symmetrische Deformation der Richtkeule zu erreichen, ordnet man die Antennen im Quadrat an. Also je zwei übereinander und zwei nebeneinander.

Berechnung des Gesamtgewinns

Wie bei allen WLAN-Antennenkonstruktionen muss man natürlich auch hier besonders genau nachrechnen um nicht mit den gesetzlichen Beschränkungen der Sendeleistung in Konflikt zu geraten.

Zweiwege-Anpasstopf
Signalverteilung am
Zweiwege-Anpasstopf

(Werkfoto WiMo)

Doch wie genau berechnet sich der Gesamtgewinn einer solchen Parallelschaltung? Hierbei muss man sich zunächst vor Augen führen, daß bei diesem Verfahren sowohl der Sende- als auch der Empfangsweg über alle parallel geschalteten Antennen führt.

Die Grafik rechts zeigt einen Zweiwege-Anpasstopf. Sie verdeutlicht, wie sich das Signal im Sendeweg verteilt. Das untere Ende wird mit dem WLAN-Accesspoint verbunden. Hier liegen im Sendeweg also die vollen 100% des Sendesignals an. Die beiden oberen Anschlüsse werden mit den Richtantennen verbunden. Hier erreichen dann nur noch jeweils 50% des ursprünglichen Sendesignals die Antennen. Man kann also von seiner Berechnung an dieser Stelle schon 3 dB abziehen.

Bei Vierfach-Anpasstöpfen, welche für vier Richtantennen notwendig sind, stehen dann entsprechend nur noch 25% des ursprünglichen Signals an den Richtantennen zur Verfügung. Man kann in diesem Fall also 6 dB abziehen.

Rechenbeispiel für den Sendeweg

Nehmen wir an, wir haben vier Richtantennen mit jeweils 18 dBi Gewinn. Diese werden über einen Anpasstopf verbunden. Durch den Anpasstopf stehen an jeder Antenne nur 25% des Signals zur Verfügung. Also zieht man bei jeder einzelnen Antenne 6 dB vom Antennengewinn ab. Es blieben also noch 12 dBi Antennengewinn. Für Kabel und Steckverbindungen kalkuliert man einen entsprechenden Verlust ein. Hier beispielsweise 2 dB.

Bei 2,4 GHz beträgt das gesetzliche Limit 20 dBm für die Sendeleistung. Der Accesspoint dürfte also maximal 10 dBm Sendeleistung abgeben, das entspricht 10 Milliwatt.

Bei 5 GHz beträgt das gesetzliche Limit 30 dBm für die Sendeleistung. Der Accesspoint dürfte also maximal 20 dBm Sendeleistung abgeben, das entspricht 100 Milliwatt.

Wo liegt nun der Vorteil?

Bisher haben wir lediglich festgestellt, daß man im Sendeweg 3 bzw. 6 dB an Leistung verliert. Dies ist weder von Vor- noch von Nachteil solange man diesen Verlust durch entsprechende Einstellungen am Accesspoint wieder ausgleichen kann.

Nun betrachten wir die umgekehrte Richtung, also den Empfangsweg. Das ankommende Funksignal trifft hierbei zunächst auf die Richtantenne. Dabei wird es in unserem Beispiel um 18 dB verstärkt und zwar von jeder einzelnen Antenne. Dann gelangt das Signal zum Anpasstopf. Dieser führt die vier einzelnen Signale zu einem gemeinsamen Signal zusammen. Dabei addieren sich die einzelnen Signalstärken. Im Idealfall ist das Signal, welches den Anpasstopf in Richtung Accesspoint verlässt, viermal so stark wie das Signal, das eine einzelne Richtantenne mit 18 dBi geliefert hätte. Viermal so stark bedeutet, daß man 6 dB Empfangsgewinn hinzuaddieren kann. Also statt 18 dBi hat unsere Antennenkonstruktion nun 24 dBi Gewinn im Empfangsweg. Der Gesetzgeber hat den Empfangsgewinn nicht beschränkt, also ist dies auch kein Problem.

Rechenspiele mit den gesetzlichen Limits

Nachdem wir die Gewinne und Verluste im gesplitteten Signalweg nun ausführlich beleuchtet haben, lassen sich einige Rechenspiele anstellen um die gesetzlichen Limits bzgl. der Sendeleistung bestmöglich und legal auszunutzen.


2,4 GHz

Wir wissen, das gesetzliche Limit bzgl. Sendeleistung beträgt 20 dBm. Wir wissen auch, bei einer Vierfach-Antennenkonstruktion verlieren wir 6 dB an Leistung. Aus technischen Gründen ist die kleinstmögliche einstellbare Sendeleistung eines Accesspoint 1 dBm (1 Milliwatt). Wir nehmen einen Kabelverlust von 2 dB an. Daraus ergibt sich folgende Formel:

Gesetzliches Limit + Verlust durch Anpasstopf + Verlust durch Kabel - Sendeleistung des Accesspoint = höchster legaler Antennengewinn
20 dBm + 6 dB + 2 dB - 1 dBm = 27 dBi

Man dürfte also maximal vier Richtantennen mit jeweils 27-dBi-einsetzen. Nun kommt der Empfangsweg und dabei wirds erst richtig interessant. Da wir jetzt wissen, daß wir viermal 27 dBi Antennengewinn haben, berechnet sich der Empfangsgewinn wie folgt:

Einzelner Antennengewinn + ((Anzahl der Antennen / 2) x 3) - Verlust durch Kabel = Empfangsgewinn
27 dBi + ((4 / 2) x 3) - 2 dB = 31 dBi

5 GHz

Das selbe Rechenspiel können wir nun auch für den 4-GHz-Frequenzbereich anstellen. Der einzige Unterschied ist, daß hier statt 20 dBm nun 30 dBm maximale Sendeleistung erlaubt sind.

Gesetzliches Limit + Verlust durch Anpasstopf + Verlust durch Kabel - Sendeleistung des Accesspoint = höchster legaler Antennengewinn
30 dBm + 6 dB + 2 dB - 1 dBm = 37 dBi

Man dürfte also maximal vier Richtantennen mit jeweils 37-dBi-einsetzen. Nun kommt der Empfangsweg und dabei wirds erst richtig interessant. Da wir jetzt wissen, daß wir viermal 37 dBi Antennengewinn haben, berechnet sich der Empfangsgewinn wie folgt:

Einzelner Antennengewinn + ((Anzahl der Antennen / 2) x 3) - Verlust durch Kabel = Empfangsgewinn
37 dBi + ((4 / 2) x 3) - 2 dB = 41 dBi

Warum eigentlich der Anpasstopf?

Der Anpasstopf ist nicht einfach ein simpler Verteiler. Da steckt schon ein wenig mehr drin. Jede Antenne besitzt eine sogenannte "Impedanz". Einfach ausgedrückt ist das ein elektrischer Widerstand. Dieser beträgt bei WLAN-Antennen immer 50 Ohm. Schaltet man vier Antennen parallel, so würde sich gemäß dem ohmschen Gesetz die Gesamtimpedanz auf ein Viertel reduzieren, also 12,5 Ohm. Das würde das Funkmodul im Accesspoint überlasten.

Aus diesem Grund korrigiert der Anpasstopf die Gesamtimpedanz wieder auf die erforderlichen 50 Ohm. Dieser Anpassung verdankt er also seinen Namen. Aus den genannten Gründen ist es also nicht möglich, einfache T-Verteiler zu benutzen um das Signal zu verteilen. Beim Kauf solcher Anpasstöpfe (manchmal auch als Signalsplitter bezeichnet) sollte man unbedingt darauf achten, daß diese Impedanzanpassung erfolgt. Manch unseriöser Händer bietet einfache T-Verteiler als Anpasstöpfe oder Signalsplitter an.

Bildmaterial mit freundlicher Genehmigung von:
WiMo Antennen und Elektronik GmbH, Herxheim

 
Web www.wlan-skynet.de