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 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:
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!
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.
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
> RG213 : 12,50m
Also keine Frage: Man sollte das RG213 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:
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.
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.
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.
