Bei der Planung eines drahtlosen Netzes wird den Antennen oft zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Dabei sind aber die Antennen die eigentliche Schnittstelle zwischen den Geräten. Der Antenne kommt die überaus wichtige Aufgabe zu, die zugeführte elektrische Hochfrequenz optimal in den Raum abzustrahlen beziehungsweise beim Empfang wieder aufzunehmen und zum Empfänger weiterzuleiten.
Während im Freifeld weniger mit Beeinträchtigungen zu rechnen ist, sieht die Sache in Büroräumen anders aus. Durch so genannte stehende Wellen (die Hochfrequenz wird von Metallwänden reflektiert) bilden sich in Räumen Bereiche mit bestem Empfang aus, während wenige Zentimeter daneben nur eine geringe Feldstärke herrscht, sodass keine Signale vom Access Point aufgenommen werden können. Durch richtige Wahl und Platzierung der Antennen lassen sich solche Phänomene leicht beseitigen. Und das Ganze, ohne die Sendeleistung anzuheben.
Im einfachsten Fall besteht eine Antenne nur aus einem Stück Draht oder einem Metallstab, der frei in die Luft ragt. Die Länge des Stabes bestimmt in erster Linie die gewünschte Empfangsfrequenz. Damit der Stab nicht so lang wird, kann der Draht um einen Isolierkörper gewickelt werden (Wendelantenne). Diese so genannten Rundstrahler empfangen aus allen Richtungen gleich viel Energie und werden deshalb häufig in den Empfängern (WLAN-Karten) eingesetzt.
Sendeantennen
Wenden wir uns nun den Sendeantennen zu: Optimal senden, das heißt die zugeführte Energie am besten abstrahlen, kann jede Antenne nur bei einer einzige Frequenz, für die sie konstruiert wurde. Es gibt keine Antenne, die sämtliche zugeführten Frequenzen optimal abstrahlen beziehungsweise empfangen kann. Durch geeignete konstruktive Baumaßnahmen lässt sich aber der Frequenzbereich, in dem die Antenne mehr oder weniger optimal arbeitet, erweitern.
Das bedeutet nun in der Praxis, dass eine WLAN-Antenne, ausgelegt für den WLAN-Standard 802.11.b, der im Bereich um 2,4 GHz arbeitet, nicht oder nur eingeschränkt für den 802.11.a-Standard, der mit 5 GHz sendet, eingesetzt werden kann. Es sei denn, man entscheidet sich für eine Breitbandantenne, die beide Bereiche abdeckt. Kostengünstiger und auch effektiver ist es allerqdings, eine für den jeweiligen Frequenzbereich optimal konstruierte Antennenform einzusetzen.
Welcher Antennentyp letztendlich zum Einsatz kommt, hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab: der Anwendung, von der baulichen Umgebung, wo die Antenne montiert wird, der geforderten Reichweite und dem gewünschten Versorgungsbereich. Um die erforderliche Antenne bestimmen zu können, ist es wichtig, sich zunächst einmal die Antennenkennwerte genauer anzusehen.
Der Antennengewinn
In der Frühzeit des Radios galt einmal folgender Satz: "Eine gute Antenne ist der beste Hochfrequenzverstärker." Damals waren Hochfrequenzverstärker wegen der schwierigen Herstellung sehr teuer. Außerdem gab es kaum Bauteile, die bei den geforderten hohen Frequenzen noch genügend Verstärkung brachten. Heute ist die Situation anders: Die Bauteile werden in großen Stückzahlen produziert und sind entsprechend preiswert. Aber trotzdem besitzt dieser Satz auch heute noch Gültigkeit. Denn mit keinem, auch noch so guten Hochfrequenzverstärker lassen sich schlechte Antennensignale störungsfrei wieder hochpäppeln. Der Grund: Jeder Verstärker erzeugt ein Rauschsignal, das dem Nutzsignal hinzugefügt wird.
Einer der wichtigsten Kennwerte der Antenne ist ihr Gewinn. Dieser, angegeben in Dezibel, beschreibt, wie viel Energie von der Antenne in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird oder - beim Empfang - wie viel Energie von der Antenne aufgenommen und zum Empfänger weitergeleitet werden kann.
Die von der Antenne abgestrahlte Energie gelangt allerdings nicht verlustfrei zum Empfänger. Je nach verwendeter Frequenz dämpft allein die Atmosphäre die ausgestrahlten Wellen. Die Dämpfung in der Luft ist umso größer, je höher die Frequenz ist. Während bei 380 MHz die Verluste nach zehn Metern bei rund 43 Dezibel liegen, sind es bei gleicher Entfernung und 5,2 GHz schon über 70 Dezibel.
Da drahtlose Netze in Gebäuden installiert werden, ist es außerdem wichtig die entsprechenden Dämpfungswerte von Baumaterialien bei der Planung des Netzwerkes in die Berechnung mit einzubeziehen.
Eine einfache Standard-Ziegelsteinmauer in Gebäuden mit einer Dicke von 11,5 Zentimetern dämpft Hochfrequenzsignale von 2,4 GHz um sieben Dezibel, bei 5 GHz sind es aber schon zehn Dezibel. 36 Zentimeter Ziegel, wie sie für Außenwände üblich sind, schwächen das Signal bei 2,4 GHz um etwa 26 Dezibel und bei 5 GHz um rund 50 Dezibel. Eine Stahlbetonwand mit 16 Zentimetern Dicke knapst bei 2,4 GHz rund 20 Dezibel von der Sendeenergie ab und bei 5 GHz rund 32 Dezibel.
Öffnungswinkel
Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Auswahl der richtigen Antenne ist ihr Öffnungswinkel. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen lassen sich Antennen so bauen, dass sie bevorzugt die Sendeenergie in eine bestimmte Richtung abstrahlen. Anhand eines Antennendiagramms kann man diese Merkmale einer Antenne grafisch darstellen.
Wichtig dabei: Eine Antenne strahlt die Hochfrequenz immer dreidimensional ab. Es müssen also zwei Diagramme aufgenommen werden; eines für die horizontale und eines für die vertikale Ebene. Beide Diagramme stehen senkrecht zueinander. Bei einer Antenne mit einem Drei-Dezibel-Öffnungswinkel markieren die Drei-Dezibel-Linien im Diagramm den Bereich, in dem die Strahlungsleistung um die Hälfte abgefallen ist (siehe Kasten "Dezibel").
Die meisten eingesetzten WLAN-Antennen strahlen die Energie linear polarisiert ab. Dabei ist es ausgesprochen wichtig, dass Sende- und Empfangsantennen gleich ausgerichtet sind. Die Empfangsantennen arbeiten fast alle mit vertikaler Polarisation. Wird nun aus baulichen Gründen die Sendeantenne um 90 Grad gedreht montiert, ergibt sich nur ein sehr schlechter Empfang. Auf geradem Weg werden die Funkwellen nicht von der Empfangsantenne aufgenommen. Erst durch Reflexion an metallischen Gegenständen im Büro wird die Polarisationsebene gedreht, und das Signal kann abgeschwächt aufgenommen werden.
Besser, aber auch teurer sind Antennen mit Zirkularpolarisation. Diese erzeugen weniger "stehende Wellen" und leuchten daher den Raum besser aus. Bereiche mit eingeschränktem Empfang sind dann kaum noch vorhanden.
Außenanlagen
Sollen zwei Gebäude, die in Sichtweite zueinander liegen, miteinander verbunden werden bietet sich eine Funkstrecke geradezu an. Doch hier gilt es aufzupassen: Selbst wenn eine Sichtverbindung zum anderen Gebäude besteht, kann der Empfang ausbleiben oder zumindest stark eingeschränkt sein, wenn andere Gebäudeecken oder Bäume nicht einen bestimmten Abstand zu den Funkwellen haben. Die Funkverbindung darf nämlich nicht nur als Richtstrahl, wie bei einer optischen Verbindung angesehen werden, sondern sie beansprucht einen dreidimensionalen elliptischen Raum. Dieser Fresnel-Zone genannte Bereich muss von Störelementen frei bleiben. Die Größe dieser Zone ist frequenzabhängig und variiert zudem mit dem Abstand der zu verbindenden Gebäude (siehe Grafik "Fresnel-Zone").
Der Grund für die Beeinträchtigung des Funkverkehrs ist ganz einfach: In die Fresnel-Zone hineinreichende Gebäude, Gebäudeecken, Schrägdächer oder auch Bäume reflektieren das Signal. Durch den jetzt längeren Weg der reflektierten Wellen ergibt sich eine Phasenverschiebung mit den direkt ankommenden Wellen. Das Nutzsignal wird durch die nun auftretende Interferenz geschwächt oder im Extremfall sogar ausgelöscht.
Antennenbauformen
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Antennenbauformen: Rundstrahl-Antennen und Richtantennen. Wie der Name schon sagt, senden Rundstrahler die zugeführte Energie in alle Richtungen und Richtantennen die Hochfrequenz in eine bevorzugte Richtung ab.
Bei Rundstrahlern liegt der Standardgewinn bei zirka 2 dB. Durch geeignete Bauform und optimaler Platzierung kann der Gewinn sogar bis auf 15 dB ansteigen. Dabei gilt aber: Je größer der Gewinn einer Rundstrahl-Antenne, desto größere Abmessungen besitzt sie und desto kleiner ist ihr vertikaler Abstrahlwinkel.
Richtstrahler dagegen senden die Hochfrequenz nur in einer bevorzugten Richtung aus. Dadurch wird die so genannte Abstrahlkeule kleiner und der Gewinn größer. Der Standardgewinn ist bei einer Richtantenne größer als 8 dB und kann auf mehr als 20 dB ansteigen. Auch hier gilt: Je größer der Gewinn einer Antenne, desto größere Abmessungen besitzt sie und desto kleiner ist ihr Abstrahlwinkel.
Eine spezielle Bauform bei den Richtantennen ist die so genannte Patch-Ausführung, eine sehr flache Antenne, bei der die Strahler auf einem Keramiksubstrat direkt aufgebracht sind. Auch diese Antennen weisen sehr gute HF-Eigenschaften auf, sodass einige sogar bis zu 14 dB Gewinn bringen können.
Die richtige Ausleuchtung
Ist nur eine große frei stehende Halle mit Antennen auszuleuchten, ist es sehr einfach. Alle Strahler werden unterhalb der Decke montiert, und da mit keinen störenden Reflexionen zu rechnen ist, reichen wenige Antennen aus, um ein großes Areal optimal auszuleuchten.
Bürogebäude können auch mit einem leistungsfähigen Sender von außen ausgeleuchtet werden. Vorteil: Nur ein einziger Access Point ist dazu notwendig. Nachteil: Das Netz ist von außen leicht zugänglich. Deshalb sind hier enorme interne Maßnahmen für den Schutz des WLANs gegen Angriffe von außen erforderlich. Obwohl diese Lösung auf den ersten Blick sehr kostengünstig und einfach erscheint, sollte man aus Gründen der Netzwerksicherheit davon Abstand nehmen.
Die Fortsetzung dieses Artikels lesen Sie in der kommenden Woche in der ComputerPartner-Ausgabe 34/04.
Ingenieure unter sich
ComputerPartner-Seminar ausgebucht
Auf großes Interesse bei den ComputerPartner-Lesern stieß unser Seminar "Antennentechnik im WLAN", das am 28. Juli im Münchener IDG-Verlagsgebäude stattfand. Da wir die Teilnehmerzahl auf 25 begrenzt hatten, mussten wir leider einige Interessenten auf eine mögliche Folgeveranstaltung vertrösten.
Mit dem Diplom-Ingenieur Andreas Mittelstädt vom Antennenbauer Huber+Suhner in Taufkirchen referierte ein Top-Experte über alles, was beim Thema Antennen im WLAN wichtig ist. Kernthemen waren unter anderem Ausführungen zum Antennengewinn, Dämpfungsbudget und Dämpfungsverluste, Strahlungsdiagramme, Öffnungswinkel, Fresnel-Zone und Polarisation.
Zudem stellte Mittelstädt die wesentlichen Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Antennen-Bauarten vor und machte dies an diversen Ausleuchtungsbeispielen deutlich (Büroumgebungen, Halle, Außenanlage). Sein Referat wurde durch einen Exkurs zu den ebenfalls in diesem Zusammenhang wichtigen Themen Blitzschutz, Verbindungsstecker und Kabel abgerundet.
Die Teilnehmer hatten durch die Bank Vorkenntnisse mitgebracht, und so entstand neben speziellen Fragen ein lebhafter Gedankenaustausch über unterschiedliche Probleme und Lösungen bei Kundenprojekten. Die gesamte, auf zwei Stunden angelegte Veranstaltung wurde in einem Feedback-Bogen von den Teilnehmern als sehr informativ und nutzbringend bewertet.
Wer keine Gelegenheit hatte, an dem Seminar teilzunehmen, kann die Tagungsunterlagen zum Preis von 39 Euro bestellen. Senden Sie einfach eine E-Mail an redaktion@computerpartner.de. SIC
Das Dezibel
Das Dezibel, der zehnte Teil des Bel, benannt nach dem Amerikaner Alexander Graham Bell, findet unter anderem Verwendung in der Hochfrequenztechnik. Mit ihm lassen sich Signalpegel, Verstärkungen und Dämpfungen leicht beschreiben und vergleichen. Der Wert gibt das Verhältnis zweier Größen nicht direkt an, sondern logarithmiert. Zu beachten ist dabei, dass Dezibel beziehungsweise Bel genauso wie Prozent dimensionslos ist. Ausnahme: wenn ein fester Bezugswert gegeben ist, zum Beispiel, Dezibel/Meter.
Die Vorteile dieses Verfahrens liegen klar auf der Hand. Bewegen sich beispielsweise die Signalpegel über viele Größenordnungen wie Watt, Milliwatt, Nano- oder Picowatt, ergeben sich die Verhältnisse der Größen in Dezibel umgerechnet als gut lesbare zwei oder dreistellige Zahlenwerte. Zum Beispiel bedeutet eine Leistungsanhebung von drei Dezibel eine Leistungsverdoppelung, sechs Dezibel entsprechen dann einer Leistungsvervierfachung und zehn Dezibel einer Verzehnfachung. JH