Quad-Beam-Antenne für Häuser mit mehreren Etagen/Betondecken

Warum das Ganze?

Eine tragende Funktion bei der Homematic-Hausautomation ist eine gute/zuverlässige Funkverbindung zwischen der Zentrale(CCU) und den Funk-Sensoren und -Aktoren. Solange alle Komponenten fast in Sichtweite sind, funktioniert in der Regel das System tadellos. Aber sobald sich funktechnische „Barrieren“ in den Weg stellen, wird es mit der Konnektivität schwierig. Wände dämpfen die Funkwellen mehr oder weniger stark und insbesondere armierte Betondecken oder Isolierungen mit Dampfsperren aus Aluminiumfolie sind für Funkwellen manchmal unüberwindliche Sperren.

Viele fangen dann gleich mit teuren und stromfressenden Repeatern oder Gateways an, obwohl damit meist nicht die gesamte Bandbreite der verfügbaren Standard- oder IP-Sensoren abgedeckt wird. Auch ist solch ein System schwieriger zu administrieren; es ist halt deutlich komplizierter! Dabei gibt es gute Lösungsansätze mit Antennen auch bei Häusern mit mehreren Etagen und dicken Betondecken! Man muß „nur“ in jeder Etage mindestens eine Antenne positionieren und diese Antennen mit möglichst dämpfungsarmen Antennenkabeln verbinden. Notwendig sind dafür aber bauliche Möglichkeiten( Leerohre, Deckendurchbrüche etc.) für eine möglichst kurze Verbindung mit geeigneten möglichst dämpfungsarmen Antennenkabeln.

Ehrlicherweise muß man aber auch darauf hinweisen, daß zwar der Weg mit zusätzlichen Antennen in fast allen Fällen sehr gut funktioniert, aber wegen der funktechnisch chaotischen Bedingungen in einem Haus kann aber niemand eine Funktionsgarantie abgeben! So eine Antenneninstallation ist immer mit Versuchen und Optimierungen verbunden. Eine Funktion „out of the box“ gibt es damit nicht!!

Warum die Antenne so wichtig ist !

Man kann nicht oft genug wiederholen, daß bei Funksystemen die Antenne die wichtigste Komponente ist. Leider wird gerade diesem Teil von Entwicklern manchmal wenig Beachtung geschenkt. Das führt dann zu suboptimalen Lösungen, die aber auch entsprechendes Verbesserungspotential haben. Die CCU1, CCU2, CCU3, Raspimatic etc. und alle käuflichen HM-Komponenten haben eine eingebaute Antenne, die nur aus einem oft in das Gehäuse eingeklemmten Stückchen Lambda-Viertel-Draht besteht. Wenn man gute Funkbedingungen im Haus hat, dann reicht diese Lösung. Aber oft hat man eben nicht gute Funkbedingungen und die Betondecken zum Keller und zum Obergeschoss schirmen die Funkwellen gewaltig ab. Dann entstehen die vom Homematiker so geliebten „Fehlermeldungen“, welche oftmals ein unstabiles Verhalten der CCU zur Folge haben. Für eine zuverlässige Hausautomation ist eine störsichere Funkkommunikation deshalb unverzichtbar!

Zu diesem Thema habe ich bereits einige Artikel im Homematic-Forum und hier auf meiner Webseite veröffentlicht. Dabei wird gezeigt, daß mit einer externen Antenne die Stabilität des heimischen Funknetzes deutlich verbessert werden kann. Hier für den Interessierten noch weitere Informationen dazu:

Externe Antenne für Raspberrymatic

Externe Stabantenne für CCU und andere HM-Komponenten

Externe Flachantenne

Groundplane-Antenne für Homematic

DualBeam für besonders schwierige Funkbedingungen

Funkeigenschaften bei Raspberry-Homematic verbessern mit räumlich abgesetztem Funkmodul

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Mittlerweile sind viele meiner externen Antennen im Einsatz mit durchweg sehr positiver Rückmeldung im Hinblick auf weniger Fehlermeldungen. Dabei ist immer zu beachten, daß die normalerweise bei Antennen angegebenen sog. Antennengewinne für die Anwendung im Haus eine völlig untergeordnete Bedeutung haben. Im Haus breiten sich die Funkwellen mehr oder weniger chaotisch aus, weil Wände, Möbel und Betondecken den „Konzertsaal“ für die Funkwellen unkalkulierbar bestimmen. Eines ist aber in jedem Fall wichtig, daß die Antenne möglichst mehr als 1m abgesetzt von der CCU und flexibel räumlich platzierbar sein sollte, um den optimalen Sendeplatz üblicherweise nach dem Try&Error -Verfahren zu ermitteln.

Warum mehrere Antennen ?

Für die meisten Anwender reichen die in meinem Webshop verfügbaren Stab– und Flachantennen völlig aus, um eine stabile Funk-Kommunikation zu erreichen. Aber unter sehr schwierigen Ausbreitungsbedingungen beispielsweise bei großen mehretagigen Häusern oder hochgebauten Reihenhäusern wird es immer Empfangsprobleme geben. Ursache sind meist die dicken stahlbewehrte Betondecken, die eine Ausbreitung der Funkwellen über mehrere Stockwerke stark dämpfen. Repeater können zwar eine Lösung sein, jedoch verbrauchen sie dauernd Strom, kosten Geld und müssen entsprechend administriert werden. Mehrere Antennen können hier eine sehr gute und einfache Lösung sein, weil man u.U. die Antennen räumlich getrennt in den verschiedenen Stockwerken platzieren kann. Die zwischenliegende Betondecke ist dann nicht mehr das Problem.

Dazu müssen aber die Antennen in geeigneter Weise an die CCU gekoppelt werden. Eine einfache Parallelschaltung funktioniert nicht, weil beispielsweise die Parallelschaltung von zwei 50 Ohm Antennen einen Wellenwiderstand von 25 Ohm ergibt und das würde an dem 50 Ohm Antennenausgang der CCU zu einer erheblichen Fehlanpassung und damit Leistungseinbuße führen. Der hier verwendete Lösungsansatz ist einfach und sehr kostengünstig. Mit einem sog. Viertelwellen-Transformator kann man den Wellenwiderstand der jeweils parallel geschalteten zwei Antennen auf den gewünschten Wellenwiderstand von 50 Ohm transformieren. Das folgende Bild zeigt, wie man das für insgesamt 4 Antennen macht:

Die vier Antennen können nun an exponierter Stelle in jeder Hausetage positioniert werden, so daß auf diese Weise auch sehr schwierige Ausbreitungsbedingungen eigentlich kein Problem mehr sein dürften.

Messergebnisse ermitteln

Natürlich entsteht immer die Hauptfrage: Was bringen eigentlich die neuen Antennen gegenüber der eingebauten? Allgemein kann man die Frage nur in einem idealen Versuchsumfeld (Freifeld) messen und beantworten. Aber „ideal“ nützt dem Einzelnen gar nichts , weil man die Frage nur in Bezug auf sein individuelles HM-Umfeld beantworten kann. Als Messwerkzeug kann man dafür auf der CCU die Systemerweiterung „devconfig“ installieren. Damit kann man die Sende- und Empfangsfeldstärken der einzelnen Funkmodule abfragen. Mehr dazu im Homematic-Forum: Stichworte rssi und devconfig.

Wichtig ist bei der Messung mit „devconfig“ , daß man vor der Einzelmessung die entsprechenden HM-Module betätigt oder abgefragt hat, damit die ermittelten Werte auch aktualisiert sind. Und auch wichtig, daß möglichst der Mittelwert von mehreren HM-Modulen vorher und nachher verglichen wird. Einzelne Messungen bringen wenig, weil die Signale im Haus stark streuen. Das nachfolgende Bild zeigt beispielhaft, wie man so einen Messung mit der eigenen Antenne durchführt:

Nachbau der QuadBeam-Antenne

Um den Nachbau einfach zu machen wurde im Webshop ein Bausatz mit einer ausführlichen Bauanleitung zusammengestellt. Damit sollte es auch dem weniger erfahrenen Löter möglich sein, dieses Antennensystem nachzubauen.

Dazu einige bildliche Impressionen des Bausatzes. Optional können noch ein oder zwei besonders verlustarme 5m-Anschlusskabel für die räumlich getrennte Platzierung der Stabantennen bestellt werden.

Im mitgelieferten Kleinverteiler-Gehäuse haben für die Kabel des Powersplitters ausreichend Platz:

Am Gehäuse kann man beispielsweise direkt zwei Stabantennen anschrauben und die beiden anderen Stabantennen mit den 5m-Verbindungskabeln räumlich getrennt (etagenweise) platzieren. Aber es muß immer an jedem Ausgang eine Antenne angeschlossen sein, weil sich sonst die Abstimmung negativ verändert!!

Haftungs- und Sicherheitshinweise

Nur HM-Module mit Spannungsversorgung aus Batterie oder galvanisch getrennten externen Netzteilen umrüsten!
Keinesfalls HM-Module mit internem/integriertem Netzteil oder 230V Netzspannung modifizieren, da über den Antennenstecker gefährliche Berührungsspannungen entstehen können.

Beim Nachbau müssen natürlich alle wichtigen einschlägigen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit gefährlichen Spannungen eingehalten werden. Fundierte theoretische und praktische Fachkenntnisse der Elektrotechnik und für den Umgang mit gefährlichen Spannungen sind unverzichtbar!! Durch eine unsachgemäße Installation gefährden Sie ihr Leben und das Leben ihrer Mitmenschen! Darüber hinaus riskieren Sie erhebliche Sachschäden , welche durch Brand etc. hervorgerufen werden können ! Für alle Personen- und Sachschäden durch falsche Installation etc. ist nicht der Hersteller sondern nur der Betreiber verantwortlich. Ich verweise hier unbedingt auf die „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs.

Tipps für die Fehlersuche

Normalerweise ist der Anschluss der Antenne völlig problemlos und in wenigen Minuten erledigt. Wenn dennoch Probleme bleiben, dann können die nachfolgend aufgelisteten Lösungsvorschläge möglicherweise helfen:

Die Kabelpeitsche mit der SMA-Buchse muß an die entsprechenden Lötpunkte am Sendemodul angelötet werden. Beim Abisolieren kann durch zu heftiges Ziehen am Innenleiter der Innenstift der SMA-Buchse zurückgezogen werden. Deshalb beim Abisolieren den Innenleiter immer festhalten!
Nach dem Anlöten mit einem Ohmmeter prüfen, ob die Verbindung zwischen dem Innenstift der SMA-Buchse und dem Innenleiter-Lötpunkt am HM-Sendemodul vorhanden ist.
Mit dem Ohmmeter prüfen, ob der Aussenleiter (Abschirmung) zwischen dem Gehäuse der SMA-Buchse und dem Abschirmungsanschluss am HM-Sendemodul auch gute Verbindung hat
Mit dem Ohmmeter prüfen, daß Innenleiter und Aussenleiter keinen Kurzschluss haben.
Bei Feldstärkemessungen mit devconfig ist zu berücksichtigen, daß die Zahlen negativ sind. Je kleiner die negativen Zahlen sind, umso besser! Weiterhin sind die angezeigten Werte vom letzten Datenverkehr und der kann u.U. sehr alt sein! Deshalb die für die Messung verwendeten Aktoren unbedingt manuell oder per Programm vor der Messung betätigen.
Feldstärkemessungen müssen mit mehreren Aktoren erfolgen und ein Mittelwert gebildet werden, weil die „chaotischen“ Wellenausbreitungen und Interferenzen im Haus an manchen Stellen zu Feldstärkeverberbesserungen aber auch zu Felstärkeminderungen führen können.
Der richtige Standort der Antenne ist von zentraler Bedeutung für gute Funkverbindungen im Haus. Leider kann kein Rezept dafür gegeben werden, weil im Haus eben durch Betondecken, Wände und aluminisierte Dampfsperren etc. eine völlig „chaotische“ Wellenausbreitung erfolgt. Antennen mit hoher Richtwirkung bzw. Gewinn sind deshalb im Haus völlig kontraproduktiv! Also Probieren und mit Verstand und Glück den richtigen Sendestandort finden.