Wie finde ich die richtige Antenne?

Tipps und Tricks für erfolgreiche Funkkommunikation

MIMO-Antennen verwenden mehr als eine Sendeantenne (Tx), um ein Signal auf derselben Frequenz an mehr als eine Empfangsantenne (Rx) zu senden. Dank Streuung der Signale lassen sich Systemkapazität und Durchsatz verbessern. Bild: Welotec

In vielen stationären, dezentral gelegenen Anlagen bringen Funklösungen – verglichen zum aufwändigen und teuren Verlegen von Leitungen – deutliche Vorteile und mobile Anwendungen lassen sich oft überhaupt nur per Funk kommunikativ anbinden. Heute hat Funk einen deutlich besseren Ruf als noch vor einigen Jahren. Dennoch haben viele Anwender Bedenken, wenn es um die Ausfallsicherheit geht. Tatsächlich findet sich eine Hauptursache für den Ausfall kabelloser Kommunikation in den eingesetzten Antennen. Richtig ausgewählt, eingesetzt und montiert helfen sie aber bei der zuverlässigen Kommunikation. Daher sollte das Thema Antenne bereits von Anfang an bei der Konzeption einer Funklösung eine wesentliche Rolle spielen.

Per Definition ist eine Antenne nichts anderes als eine Sende- und Empfangseinrichtung für elektromagnetische Wellen. Ob eine Antenne aber für die jeweilige Anwendung geeignet ist oder nicht, hängt nicht nur von der auf dem Datenblatt angegebenen Leistung ab. Davor gilt es erst zwei wichtigere Fragen zu klären: Wie lässt sich die Antenne im jeweiligen Anwendungsfall einfach und sicher montieren? Und welchen Umgebungsbedingungen ist sie ausgesetzt? Beides hat nicht nur wesentlichen Einfluss auf die nötige Performance, sondern auch darauf, ob sich eine Funklösung überhaupt realisieren lässt.

Das A und O: Die richtige Funktechnologie wählen

Natürlich gilt es vorab für die jeweilige Anwendung auch die richtige Funktechnologie zu wählen. In nicht-Consumer Anwendungen – sei es im Bereich von Smart Industry, Smart Energy, Smart City oder Smart Farming – ist das Angebot breit gefächert. Für die richtige Wahl muss man wissen, ob Daten innerhalb von Gebäuden oder im Freien übertragen werden sollen, die Anwendung ortsfest oder mobil ist und über welche Distanzen welche Art von Daten und welche Datenmengen mit welcher Bandbreite übertragen werden müssen. Datenfunk (UHF, VHF), Mobilfunk (LTE, GPRS, UMTS) oder WLAN (2,4 oder 5 GHz) können je nach Fall der richtige Problemlöser sein. Anwendungen zur Positionsbestimmung fordern zudem noch globale Navigationssatellitensysteme (GNSS). Für jede dieser Funktechnologien und genutzten Frequenzen werden in den genannten Anwendungsbereichen dann die passenden Antennen benötigt. Bei deren Wahl und Montage gibt es einige klassische, aber vermeidbare Fehler. Ein paar einfache Tipps erleichtern die Auswahl:

Frequenzbereich: schmalbandig ist besser

Der erste Tipp mag banal klingen, aber tatsächlich passiert es immer wieder, dass Antennen nicht passend zum Frequenzbereich gewählt werden. Gerade bei WLAN oder Mobilfunk, wo viele verschiedenen Frequenzen zur Verfügung stehen, gilt es eine Antenne mit der tatsächlich genutzten Frequenz einzusetzen. Es mag zwar attraktiv klingen, auf eine breitbandige Lösung zurückzugreifen, die mehrere Frequenzbereiche abdeckt. Das hat aber in der Regel Einfluss auf die Sende- und Empfangsleistung der Antenne. Wer das Maximum rausholen will, sollte deshalb eine optimal auf die wirklich genutzte Frequenz abgestimmte Antenne wählen. Als Faustregel gilt: Je schmalbandiger die Antenne, desto besser ihre Leistung, vorausgesetzt die richtige Frequenz wird genutzt.

Montage: so hoch wie möglich

Diese Antenne wurde für eine einfache Installation mit Klebepads in Trafostationen entwickelt. Sie unterstützt die LTE-Frequenzen von 700 bis 2600 MHz. Hohe Leistung und schnelle Installation machen diese Antenne häufig zur besten Wahl. Bild: Welotec

Diese Antenne wurde für eine einfache Installation mit Klebepads in Trafostationen entwickelt. Sie unterstützt die LTE-Frequenzen von 700 bis 2600 MHz. Hohe Leistung und schnelle Installation machen diese Antenne häufig zur besten Wahl.

Die meisten Fehler passieren beim Positionieren und Montieren der Antennen. Idealerweise wird die Antenne so positioniert, dass sie ungehindert in alle vier Himmelsrichtungen abstrahlen kann. Zudem ist es gut, eine Antenne so hoch wie möglich zu montieren, gleichzeitig ist es aber wichtig, das Antennenkabel dadurch nicht unnötig zu verlängern. Antennen in Outdoor-Anwendungen erzielen den besten Gewinn, wenn sie ebenfalls draußen montiert werden. Dann ist aber auf Vandalismussschutz zu achten. Die Antenne muss so aufgebaut und montiert sein, dass sie sich nicht abbrechen oder verstellen lässt und Kabel sollten so geführt sein, dass sie nicht durchtrennt werden können. Manchmal ist der Empfang vor Ort so gut, dass es möglich ist, auch bei Outdoor-Anwendungen die Antenne drinnen zu montieren. Das kann bei der Installation natürlich Kosten sparen. In dem Zusammenhang jedoch ein Hinweis: In einem Metallschrank hat eine Antenne wirklich nichts verloren. Als Faustregel gilt also: Mindestens genauso wichtig wie die Wahl der richtigen Antenne ist eine fachgerechte Montage, die alle Umweltparameter berücksichtigt.

Antennenkabel: dick und kurz

Zu viele Verbindungsstücke bringen Leistungseinbußen. Bild: Welotec

Zu viele Verbindungsstücke bringen Leistungseinbußen.

Zu dünne, zu lange oder zusammengestückelte Antennenkabel bringen ebenfalls Leistungseinbußen. Bei dickeren Kabeln ist die Dämpfung zwar geringer, dafür sind sie oft so starr, dass sie sich bei Anwendungen mit beengtem Raum nicht verlegen lassen. Hier gilt es, von Fall zu Fall abzuwägen. Als Faustregeln gilt: Kabel sollten so dick wie möglich und nicht länger als drei Meter sein. Wichtig ist zudem, das Antennenkabel nicht parallel zum Stromkabel zu verlegen.

Groundplane: unerlässlich bei „halben“ Antennen

Bei „halben“ Antennen dient eine Groundplane als Erdungsfläche, auf der die Antenne mittig und im 90°-Winkel montiert wird. Bild: Welotec

Bei „halben“ Antennen dient eine Groundplane als Erdungsfläche, auf der die Antenne mittig und im 90°-Winkel montiert wird.

Ein Grund, warum Antennen weit hinter dem im Datenblatt genannten Gewinn bleiben, könnte sein, dass nicht an die Groundplane gedacht wurde. Dazu einige Hintergründe: Antennen werden als ¼-Lambda- (halbe) und ½-Lambda- (ganze) Antennen angeboten. Während ganze Antennen problemlos ohne Groundplane funktionieren, können die halben Antennen auf keinen Fall darauf verzichten. Denn um das volle Potenzial auszuschöpfen, wird eine Antennenlänge von ½ Lambda benötigt.

Die elektromagnetische Reflexion an der Groundplane bewirkt, dass die benötigte Wellenlänge erreicht wird. Bild: Welotec

Die elektromagnetische Reflexion an der Groundplane bewirkt, dass die benötigte Wellenlänge erreicht wird.

Hierzu dient bei halben Antennen die Groundplane aus Metall als Erdungsfläche, auf der die Antenne vertikal, mittig und im 90°-Winkel montiert wird. Durch die elektromagnetische Reflexion an der Erdungsfläche wird die benötigte Wellenlänge erreicht. Als Faustregel gilt daher: ¼-Lambda-Antennen müssen immer auf metallischem Untergrund montiert werden. Ein schmaler Stahlblechhaltewinkel reicht hier aber nicht aus. Die kumulierte metallische Grundfläche sollte ca. 1m² aufweisen.

Richtantennen: Auf den Abstand kommt es an

Richtantenne vs. Rundstrahler. Die Leistung ist bei beiden Antennen gleich (schattierte Flächen), lässt sich aber mit Richtantennen gezielt in eine Richtung abstrahlen und dadurch bündeln. Bild: Welotec

Richtantenne vs. Rundstrahler. Die Leistung ist bei beiden Antennen gleich (schattierte Flächen), lässt sich aber mit Richtantennen gezielt in eine Richtung abstrahlen und dadurch bündeln.

Mit Richtantennen lassen sich, vereinfacht gesagt, Signale gezielt und gebündelt in eine bestimmte Richtung absenden. Damit kann man eine große Reichweite erreichen, die Sendeleistung am Transmitter reduzieren oder schwache Empfangssignale verstärken. Ein typischer Einsatzbereich von Richtantennen findet sich im Mobilfunk/LTE: Hier kann die Wahl des passenden Routers beim Einrichten nützlich sein.

Ein Feature des TK800 Router: Die exakte Signalstärke lässt sich im Browser einsehen und damit können Richtantennen optimal eingestellt werden. Bild: Welotec

Ein Feature des TK800 Router: Die exakte Signalstärke lässt sich im Browser einsehen und damit können Richtantennen optimal eingestellt werden.

Während einfache Router über eine LED die Signalstärke anzeigen, haben die Kommunikationsexperten von Welotec beispielsweise mit dem TK800 einen Router im Angebot, bei dem man die exakte Signalstärke im Browser einsehen und damit die Antenne optimal einrichten kann. In manchen Anwendungsfällen kann es sinnvoll sein, sich nicht auf die Funkmasten in unmittelbarer Nähe auszurichten, wenn sich diese zum Beispiel in Nähe einer Autobahn oder eines Stadions befindet. Ein Stau auf der Autobahn oder ein vollbesetztes Stadion können dann nämlich die Kommunikation ausbremsen.

Generell gilt als Faustregel für Richtantennen: In mobilen Anwendungen sind Richtantennen ungeeignet, bei ortsfesten Anwendungen können sie dann sinnvoll sein, wenn man genau weiß, wo sich die Gegenstation befindet.

MIMO-Antennen: Systemkapazität und Datendurchsatz maximieren

Wenn mehrere Antennen gleichzeitig montiert werden, benötigen diese einen Abstand von mindestens 20 cm zueinander, damit sie sich nicht gegenseitig stören. Bild: Welotec

Wenn mehrere Antennen gleichzeitig montiert werden, benötigen diese einen Abstand von mindestens 20 cm zueinander, damit sie sich nicht gegenseitig stören.

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) Antennen sind eine Möglichkeit, um die Systemkapazität und den Datendurchsatz zu erhöhen. Bei der Technik werden mehrere Sendeantennen (Tx) verwendet, um ein Signal auf derselben Frequenz an mehr als eine Empfangsantenne (Rx) zu senden. Die Technik macht sich die Streuung der Signale zu Nutze und erreicht durch die verschiedenen Wege der Sende-Signale und deren zeitversetztes Eintreffen am Endgerät eine bessere Systemkapazität sowie einen besseren Datendurchsatz. Für eine optimale Ausnutzung von MIMO am Endgerät, werden die Sendeantennen um 90° versetzt polarisiert. Durch die versetzte Polarisation soll eine möglichst große Fernfeld-Entkopplung, auch Crossover-Isolation, erreicht werden. Als Faustregel gilt: Wenn mehrere Antennen gleichzeitig montiert werden, benötigen diese einen Abstand von mindesten 20 cm zueinander, damit sie sich nicht gegenseitig stören.

Brennverhalten: Safety first

Ein Fehler, der zwar nicht die Übertragungsqualität beeinflusst, aber dennoch zu großen Problemen führen kann, ist wenn das Brennverhalten von Antennen bzw. Kabeln nicht beachtet wird. Gerade in Innenräumen, Trafonetzstationen und Fahrzeugen müssen die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen beachtet werden. Bei der Wahl der richtigen Antennentechnik müssen also auch sicherheitstechnische Vorgaben beachtet werden.

Die richtige Technik plus Knowhow

In vielen Fällen helfen bereits diese einfachen Tipps bei der Antennenwahl. Generell gilt jedoch: Wer sich unsicher ist, sollte sich beraten lassen. Die Kommunikationsexperten von Welotec befassen sich seit Jahren mit Funklösungen. Lange bevor Mainstream Lösungen wie WLAN und GPRS, UMTS und LTE möglich wurden, hat das Unternehmen mit Datenfunk die ersten Funklösungen in Betrieb genommen. Für eine zuverlässige Datenübertragung ist in diesem Bereich Knowhow gefragt – auch in Bezug auf die Antennentechnik. Von dem in vielen Anwendungen angesammelten Wissen profitieren heute natürlich auch Anwendungen mit anderen Funkkommunikationslösungen. Realisiert wurden über die Jahre z.B. WLAN-Kommunikation in Fußballstadien, Funklösungen für Precision Farming in Traktoren oder das Asset- und Flottenmanagement von Bussen und LKW. Auch in der Vermessungstechnik und in Tunnelbohrmaschinen wurden passende Antennen-Lösungen gefunden. Aktuell hat Welotec ein Antennen-Starter-Kit für Smart-Meter-Gateways entwickelt. Hier spielen neben zuverlässiger Kommunikation natürlich auch der Preis und eine einfache Installation eine wesentliche Rolle. Von einfachen Antennen bis hin zu komplexen Kombiantennen ist alles im Angebot. Für jede industrielle Anwendung findet sich eine geeignete und zuverlässige Funklösung mit passender Antenne, sei es für LTE, WLAN, Multiband, UHF, VHF, GNSS, GPRS oder UMTS. Die Kommunikationsexperten beraten gerne bei der Auswahl.

Über Welotec
Seit 1969 bietet Welotec aus Laer im Münsterland Automatisierungsprodukte und IT-Lösungen für die Industrie. Die Münsteraner unterstützen ihre Kunden durch ganzheitliche IoT-Lösungen bei der digitalen Transformation. Zusammen mit ihren Kunden und Partnern schafft Welotec robuste und zuverlässige Netzwerk- und Computing-Lösungen. In den Bereichen Smart Grid, Verkehrstechnik und Maschinenbau bietet das Unternehmen Mobilfunk Lösungen der 4. und 5. Generation, Edge Computing und Routing Lösungen von der Edge in die Cloud. Neben den Standard Welotec Routern, IoT-Gateways, Edge Computern und Antennen bietet das Unternehmen auch Entwicklung und Produktion kundenspezifischer Geräte, Softwarelösungen und Antennen. Persönliche und qualifizierte Beratungs-, Schulungs- und Serviceleistungen bei der Verwirklichung individueller Kunden-Lösungen sind Ziel des Unternehmens, um so deutlich mehr Sicherheit in allen Entscheidungsfragen vor, während und nach einer Projektierung zu schaffen.

Mehr Infos unter: https://www.welotec.com/de/antennen

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Jos Zenner

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Daniel Maurice

Director Sales bei der Welotec GmbH

Nora Crocoll

Nora Crocoll

Studium Technische Redaktion, Praxis in der Elektronik-Industrie. Diplomarbeit in der Softwareentwicklung (XML-basierte Arbeitsumgebung für Redaktionsleitfaden). Seit 2005 als Autorin beim Redaktionsbüro Stutensee.

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