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Externe Flachantenne für die Homematic und Vergleich mit anderen Antennen

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Externe Flachantenne für die Homematic und Vergleich mit anderen Antennen
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Warum überhaupt eine externe Antenne ?

Als Funkamateur hat man vielleicht ein anderes Verhältnis zur Hochfrequenz. Aber jeder Anfänger lernt als Erstes, daß die Antenne der beste Hochfrequenzverstärker ist. Die Antenne ist einfach das A und O einer Sende- und Empfangsanlage, man kann diesen Satz nicht genug betonen!

Die Homematic ist auch eine Sende- und Empfangsanlage , die auf 868Mhz arbeitet. Deshalb ist auch hier die Notwendigkeit einer guten Antenne die Vorrausetzung für einen stabilen  und störsicheren Sende- und Empfangsbetrieb. Allerdings wenn man in die geöffneten HM-Funkmodule reinschaut  und den dort als Antenne fungierenden Drahtstummel sieht,  dann weiß man sofort, welches Verbesserungspotential mit einer „richtigen“ externen Antenne möglich ist.

Natürlich lohnt eine externe Antenne nur dann, wenn man Verbindungsprobleme innerhalb des Homematic-Netzes hat. Haben die Module mehr oder weniger Sichtverbindung, dann muß man sich um eine Verbesserung der Antenne sicher nicht kümmern. Aber beispielsweise in einem  typischen 1 1/2-stöckigen Haus mit Keller , Erdgeschoss und Obergeschoss haben wir im ungünstigen Fall zwei Betondecken zwischen den HM-Kommunikationspartnern. Das kann schon zuviel sein, um einen störsicheren und zuverlässigen Betrieb sicher zu stellen.

Auf dieser Webseite wurden schon entsprechende Bauvorschläge veröffentlicht, wie man an der CCU1 , der CCU2 oder am Konfigurationsadapter einen Anschluss für eine externe Antenne herstellt und wie man sich im Selbstbau eine externe sog. Groundplane Antenne herstellt.

externe Antenne für die CCU1

externe Antenne für die CCU2

externe Antenne für den LAN Konfigurationsadapter

Warum eine Flachantenne ?

Die bisher sehr erfolgreich verwendete Antenne ist eine sog. Groundplane Antenne, die zwar klein ist aber doch aufgrund der räumlichen Antennenform nicht hinter dem Schrank oder  der Kommode unsichtbar versteckt werden kann. Deshalb kam der Wunsch nach einer flachen Antenne auf, die einfacher an einem geeigneten Ort platziert werden kann. Bei den sehr guten Funkeigenschaften der Groundplane habe ich versucht , auch bei der Flachantenne bei dem Konzept zu bleiben. Man könnte nämlich statt der vier räumlichen Radials auch nur zwei Radials verwenden , die in einer Ebene (Flachantenne) liegen. Die Berechnungen zeigen, daß dies sehr gut möglich ist und trotzdem nahezu eine Rundstrahlcharakteristik erreichbar ist (siehe folgendes Bild).

Die Maße der so berechnete Groundplane sind :

  • Vertikalstrahlerlänge  79,8mm
  • 2 Radials (45°) mit 82,0 mm Länge

Konzept und Selbstbau

Die praktische Umsetzung sollte auch mit wenig Bastelerfahrung möglich sein. Deshalb wurde eine Platine als Strahler konzipiert, an die einfach die Radials aufgelötet werden. Das folgende Bild sagt mehr als viele Worte:

hm_antenne_2

Die Radials sind Messingröhrchen mit 2mm Durchmesser aus dem Baumarkt. Sie sind auf eine Länge von 80mm abzuschneiden und wie auf dem Bild aufzulöten. Durch die Platine bekommt das Gebilde eine ausreichende Haltbarkeit.

Als Anschluss verwendet man typisches dünnes und biegsames 50-Ohm WLAN-Antennenkabel mit den gebräuchlichen SMA-Steckern.  Aber Achtung : SMA Stecker gibt es als Male und Female und für die innere Verbindung auch als Male- und Female-Ausführung. Es gibt also insgesamt 4 verschiedene Typen von SMA Steckern/Buchsen !! Also genau hinschauen, sonst kauft man die falschen Anschlüsse.  Weitere Fragen zum Anschluß der Antenne beantworten sicher die o.a. Artikel bzw. Links.

Ganz einfach ist natürlich mein Komplettbausatz, bei dem alle Teile schon dabei sind. Komplettbausatz Flachantenne

Wichtige Information für den Komplettbausatz: 
Bei dem mitgelieferten Koaxkabel darf beim Abisolieren des Innenleiters nicht zu heftig an dem Innenleiter gezogen werden, weil sonst im „männlichen“ Stecker der Innenstift nach hinten gezogen wird. Danach ist dann kein Kontakt mehr vorhanden , wenn man beide Stecker zusammenschraubt.
Sicherheitshalber am Schluß mit dem Ohmmeter prüfen, ob der Innenleiter durchgehend vom Antennenanschluss in der CCU  bis zum Mittelstrahler der Antenne auch  Durchgang hat. Zusätzlich sollte man mit dem Ohmmeter prüfen, daß dieser Innenleiter keinen Kurzschluß zur Kabelabschirmung hat >> der Widerstand zwischen Innenleiter und Abschirmung muß hochohmig sein!

hm_antenne_3

Für den weniger erfahrenen „Löter“ hier noch ein Bild, wie man die Koaxkabel mit einem scharfen Messer ablängt und verzinnt. Aufpassen, daß man mit dem Messer nur die Isolierung des Innenleiters  und nicht die Kupferadern des Innenleiters anschneidet. Es reicht wie im Bild oben,  die Kabelabschirmung nur an einer Seite zu verlöten, weil die Radials über die Platine miteinander verbunden sind.

antenne_kabel


Anschluß an die CCU mit/ohne Ringkern ?

Zum Anschluß der Antenne muß man natürlich das jeweilige Gerät öffnen und verliert dementsprechend u.U. die Garantie. Man sollte deshalb schon mit dem Lötkolben umgehen können und etwas von Elektronik verstehen. In verschiedenen Artikeln hierzu (siehe o.a. Links) wird Schritt für Schritt das Vorgehen erklärt, so daß eigentlich jeder „Eingriff“ erfolgreich sein sollte 😉

Bisher habe ich immer einen Ringkern zwischen CCU-Antennenanschluss und Lötanschluss auf dem CCU-Board empfohlen. Dies ist sicher der richtige Weg, wenn unklar ist, inwieweit die Platine beim „Abstrahlen“ ungewollt mitspielt.  Deshalb habe ich zu diesem Thema verschiedene Versuche mit und ohne Ringkern unternommen.

Das Ergebnis
ist eindeutig:
Bei einer externen Antenne für die Homematic-Module ist ein Ringkern nicht notwendig bzw. ein Ringkern bringt keine meßtechnisch wahrnehmbaren Vorteile!

Wie lang darf die Antennenleitung sein ?

Die Frage nach der maximalen Länge der Antennenleitung kann man eigentlich nur so beantworten, daß die Leitung zwischen Antenne und CCU so kurz wie möglich sein sollte. Jeder Meter mehr bringt zusätzlich Dämpfung und damit Verschlechterung der Performance.

Die Dämpfung hängt entscheidend von der Kabelqualität ab. Da gibt es Riesenunterschiede.

Wir vergleichen mal 4 Koaxkabel:

> RG174 > Durchmesser: 2,8 mm, > Dämpfung bei 1000Mhz: 1,05dB/m
> RG316 > Durchmesser: 2,5 mm, > Dämpfung bei 1000Mhz: 0.87dB/m
> SS405 > Durchmesser: 2,7 mm, > Dämpfung bei 1000Mhz: 0,40dB/m
> RG213 > Durchmesser: 10,0 (!) mm, > Dämpfung bei 1000Mhz: 0,24dB/m

Gehen wir mal davon aus, daß eine externe Antenne am gleichen Standort wie die CCU etwa 3dB Gewinn bringt.
Dieser Gewinn wird aufgebraucht durch eine mehr oder weniger lange Leitung.
Für 3dB Leitungsverlust darf die Leitungslänge bei den verschiedenen Kabelsorten maximal sein:

> RG 174 : 2,85m
> RG316 : 3,45m
> SS405 : 7,50m
> RG216 : 12,50m

Also keine Frage: Man sollte das RG216 verwenden! Aber wer verlegt im Wohnraum mal eben ein 10mm dickes Kabel,  ganz abgesehen von dem dicken Antennenstecker an der CCU.

Also bei einem langen Antennenkabel ist ein hochwertiges Koaxkabel ein Muß, bei einem kurzen Antennekabel (<3m) kann man auch eine ungünstigere aber preisgünstige Kabelqualität ertragen. Nochmal:

Genau überlegen, wohin kommt die Antenne und wohin die CCU, daß einerseits die Antenne möglichst günsdz´tige Abstarhlbedingungen hat und andererseits das Antennekabel so kurz wie möglich ist!!

Zum Thema Koaxkabel gibt´s auf dieser Webseite mehr Informationen:
http://www.koax24.de/koaxialkabel/uebersicht-50-o/24-32-mm-gr2/rg174-au.html

Vergleich mit anderen Antennen

Natürlich entsteht  immer die Hauptfrage: Was bringt eigentlich die externe Antenne gegenüber der eingebauten Antenne? Allgemein kann man die Frage nur in einem idealen Versuchsumfeld (Freifeld) messen und beantworten. Aber „ideal“ nützt dem Einzelnen gar nichts , weil jeder die Frage möglichst in bezug auf sein individuelles  HM-Umfeld  beantwortet haben möchte. Deshalb habe ich mit meiner eigenen wahrscheinlich typischen HM-Installation die Leistungsfähigkeit verschiedener Antennen vermessen.  Als Meßwerkzeug wurde auf der CCU die Systemerweiterung „devconfig“ installiert. Damit kann man die Sende- und Empfangsfeldstärken der einzelnen Funkmodule abfragen. Mehr dazu im Homematic-Forum: Stichworte rssi und devconfig.

http://homematic-forum.de/forum/viewtopic.php?f=31&t=26624&p=233643&hilit=rssi+devconfig#p233643

Gemessen habe ich vier verschiedene Antennen :

  • die Original CCU2-Antenne
  • meine „alte“ Groundplane mit 4 Radials
  • eine käufliche 868Mhz-Stabantenne aus China
  • die „neue“ Flachantenne aus diesem Beitrag

Gemessen wurde an einem sehr ungünstigen Aufstellort im Keller und an einem günstigen Aufstellort im Erdgeschoss meines 1 1/2 stöckigen Einfamilienhauses. Gemessen wurde mit 30 verschiedenen HM-Modulen , die naturgemäß im ganzen Haus verteilt sind. Die gemessenen Werte sind immer Mittelwerte aus den Signalstärken der 30 Module.

Hier die Ergebnisse:

Bei der Interpretation der Vergleichswerte ist wichtig zu wissen, daß kleine negative dBm-Werte besser sind. Also je länger der Balken im Bild umso besser! Die Werte für den Aufstellort Keller (blaue Balken)  sind naturgemäß sehr schlecht. Hier bringt eine externe Antenne besonders viel. Für den günstigen Aufstellort im Erdgeschoss sind die Werte naturgemäß deutlich besser. Im Mittel  ist die Empfangsleistung im Keller um 8,6dBm schlechter. Das enspricht einem Faktor von 7,2 !

Bei dem günstigen Aufstellort der Antennen im Erdgeschoss ist der Unterschied der verschiedenen Antennenformen nicht so groß.  Aber immerhin sind zwischen CCU-Antenne und den anderen Antennen so um die 3dB Unterschied auzumachen, was einer doppelten Empfangsleistung entspricht.

Nicht jeder ist mit dem logarithmischen Maß Dezibel vertraut, deshalb im folgenden Bild die Unterschiede der Signalleistung als Faktoren:

So kann sich jeder ein Bild machen, was meßtechnisch eine externe Antenne bringt. Subjektiv möchte ich anmerken, daß ich auf eine externe Antenne nicht mehr verzichten möchte, weil damit in meiner individuellen Hausumgebung erst ein stabiler und zuverlässiger Betrieb möglich war. Und die vielen Posts zu diesem Thema sprechen eine beredte Sprache !

 

Für schwierige Bedingungen: 2 Antennen an der CCU

Obwohl die beschriebene Antenne sehr viel bringt kann es unter schwierigen Ausbreitungsbedingungen immer noch Empfangsprobleme geben. Ursache sind meist  dicke stahlbewehrte Betondecken, die eine Ausbreitung der Funkwellen über mehrere Stockwerke stark dämpfen. Repeater sind können zwar eine Lösung sein,  jedoch verbrauchen sie dauernd Strom, kosten Geld und müssen entsprechend administriert werden.  Eine zweite Antenne kann hier eine gute und einfache Lösung sein.

Dazu müssen aber die zwei Antennen in geeigneter Weise an die CCU gekoppelt werden. Eine einfache Parallelschaltung funktioniert nicht, weil 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 Lösungsansatz ist einfach und sehr kostengünstig. Mit einem Stück 75 Ohm-Sat-Kabel kann man leicht einen sog. Viertelwellen-Transformator aufbauen, der den Wellenwiderstand der  parallel geschalteten zwei Antennen (25 Ohm) auf wieder 50 Ohm hochtransformiert.  Das folgende Bild zeigt die Schaltung dazu:Folie10

Damit die zwei Sat-Kabel-Leitungsstücke für die praktische Realisierung nicht zu kurz sind, wurde eine Länge von 3/4 Lambda dewählt. Damit ergibt sich als Länge ein Wert von 21,2cm, was für den Aufbau einfacher und  praktikabel ist.

Die beiden 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.

Viel Erfolg bei der praktischen Umsetzung !

 

Anmerkung:
Interessenten können den Komplettbausatz für die Flachantenne in meinem Webshop erwerben. https://www.stall.biz/produkt/komplettbausatz-fuer-ccu-flachantenne

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  Antennensteckers 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! Darüberhinaus 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.

 

 

 

Fähigkeiten

Gepostet am

17. Oktober 2015

17 Kommentare

  1. Echt klasse! Vielen Dank! Jetzt habe ich endlich keine Probleme mehr

  2. Hallo,
    habe heute zwei Antennen laut der Vorgabe nach gebaut und muss dem Autor mein größten Respekt aussprechen. Leistungen sind erheblich besser und das für echt kleines Geld.

    Danke für die Dokumentation.

    Gruß Achim

  3. … die SMA-Verbindung ist dafür da, daß man Antenne und CCU auch trennen kann und ggf. auch andere Antennen anschließen kann. Beispielsweise die Stabantenne in meinem Webshop.
    Aber man kann auch das Koaxkabel direkt an das Sendemodul in der CCU anlöten. Genauso wie man eine Lampe über sowohl einen Stecker oder als auch über eine Lüsterklemme anschließen kann.

  4. Hallo,

    habe Kommunikationsstörungen mit der CCU2 und bin auf der Suche nach einer Lösung auf Deine gestoßen.
    Ich habe mir Deine Anleitung angeschaut und verstehe nicht, für was SMA Stecker benötigt werden, da ja doch sowohl an der CCU2 als auch an Deinem Bausatz direkt angelötet wird???
    Sorry, für die Frage, bin leider NUR Mechaniker

  5. Position und Ausrichtung der Antenne kann man im Haus nicht nach Regeln festlegen, da die Reflexionen an Möbeln und Wänden entscheidend sind.
    Ausprobieren und mit dem CCU addon „!devconf“ die Signalstärken optimieren. Im Homematic Forum mal nach „devconf“ suchen .

  6. Habe heute meine Flachantenne bekommen und aufgebaut. Bzgl. Aufstellposition sehe ich das richtig?

    – Platine nach oben: runde Abstrahlcharakteristik nach oben
    – Platine nach unten: runde Abstrahlcharakteristik nach unten

    Ich habe meine Zentrale im Obergeschoss aufgestellt. Wenn ich jetzt noch Aktoren im Erdgeschoss und Keller habe, wäre es eigentlich besser die Antenne nach unten zu richten, oder?

  7. Wie wird die Antenne optimal aufgestellt oder Positioniert? Platine nach Oben und die Radials (Messingrohre) nach unten?

  8. Die Homematic-Module arbeiten sowohl im Sende- als auch Empfangsbetrieb. Ob man die bessere Antenne an den Modulen oder an der CCU anbringt isteigentlich gleich. Bei der CCU bringt eine Antenne natürlich mehr Nutzen, weil alle angeschlossenen Module davon profitieren. Rüstet man nur ein Modul mit einer besseren Antenne aus, dann wird nur die Kommunikation mit diesem einen Modul verbessert.
    Bezüglich der „Gummiantennen“ bin ich skeptisch, weil sie auch nur einfache Lamda/viertel-Strahler sind. Den Nachteil sehe ich einfach darin, daß sie relativ schwer und groß sind für eine Montage direkt am leichten CCU-Controller. Ich persönlich finde eine mit einem weichen Koaxkabel angeschlossene getrennte Antennenbuchse rein mechanisch einfach robuster. Aber das ist sicher Geschmackssache.

  9. Ich habe hier auch einen Fall wo auf Sende- und Empfangsseite je so eine „coil antenna“ ist und ich mehrere Stockwerke überbrücken muss. Bin jetzt am Überlegen, ob ich eine oder beide Seiten umrüste. Was bringt denn mehr? Empfangs- oder Sendeseite? Oder sind diese Coils gar nicht so schlecht und es daher den Aufwand vielleicht gar nicht wert? Ich hatte an die RF Solutions FLEXI-SMA90-868 oder ANT-8WHIP3H-SMA (oder wäre diese China-Stabantenne besser?) gedacht und müsste halt dann nen SMA-Stecker in die Geräte einlöten.

  10. Wenn die Röhrchen auf die Platinenpads wie auf dem Bild aufgelötet werden, dann sind sie automatisch über die Platine miteinander verbunden. Die Abschirmung des Koaxkabels ist mit den beiden Messingröhrchen quasi „am First“ verbunden.

  11. Moin

    bin gerade dabei, den Bausatz zusammen zu löten. Auf dem Bild ist nicht ganz klar ersichtlich, ob die beiden Messingröhrchen miteinander verlötet werden sollen oder nicht, es sieht so aus, als ob der äußere Leiter des Antennenkabels nur an ein Röhrchen geht, oder doch an beide?

  12. Ja, müßte eigentlich funktionieren, da es mit 868Mhz arbeitet.

  13. Hallo,
    kann man die Antenne auch an dem PI2 mit Pi HM-MOD-RPI-PCB nutzen?
    Danke

  14. So Fehler gefunden, wenn man beide Seiten Kupplung hat geht das wohl nicht. Die kurzen Zuleitung ist Kupplung ( Falsch ) und die Antenne ist Kupplung ( Richtig ) . Also bitte neues Kabel schicken. Danke LG

  15. Hallo,
    seid ich die Flachantenne eingebaut habe ist die Sendeleistung zwar besser aber ich bekomme trotzdem jeden Tag Fehlermeldungen imer von anderen Geräten. Kommunikation war gestört.
    Lg

  16. Die Platine ist jetzt in meinem webshop verfügbar. Kostet 5€ plus Versand!

  17. Hallo,
    Habe Interesse an deiner Platine.
    Mail mal bitte die Kosten.
    Paul

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