WLAN-Richtfunk mit Hausmitteln

Worauf es beim Selbstbau einer leistungsfähigen Richtantenne ankommt

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Klobürstenständer aus Alu oder Edelstahl entpuppen sich als ausgezeichnetes Ausgangsmaterial für eine WLAN-Richtantenne. Passen Länge und Durchmesser, lassen sich Funknetze über weite Distanzen oder durch dicke Wände aufspannen.

Eine ordentliche Antenne macht den WLAN-Router auf einen Schlag erheblich leistungsfähiger. Die Standard-Stummelantennen befinden sich am unteren Ende der Leistungsskala und stoßen schnell an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die eigene Wohnung besser abzudecken, den Nachbarn mit DSL zu versorgen oder beim Wardriving möglichst viele Funknetze zu erfassen.

Befindet sich der Access Point drei Zimmer weiter oder gar im Haus auf der anderen Straßenseite, muss eine Richtantenne her. Wer für eine Verbindung zum nächsten Bekannten mit DSL-Anschluss am anderen Ende der Dorfstraße oder zum Freifunk-Knoten im übernächsten Häuserblock sogar noch weitere Funkstrecken überbrücken muss, dürfte in der Regel sogar zwei Richtantennen benötigen.

Der größte Störfaktor in der Stadt sind ohnehin die WLAN-Router der Nachbarschaft. In einem Block aus Mehrfamilienhäusern tummeln sich gerne zehn oder gar zwanzig Funknetze, die ihren Senf dazugeben. Gegenseitige Störungen sind programmiert und die erzielbaren Reichweiten und die Verbindungsstabilität reduzieren sich drastisch.

Man kann durchaus nur eine von zwei Antennen an der Basisstation ersetzen, um beispielsweise die WLAN-Abdeckung am hinteren Ende des Gartens zu verbessern. Für den Nahbereich bleibt der zweite Stummel montiert. Alle aktuellen WLAN-Module nutzen automatisch die für jeden Client am besten geeignete Antenne (Antenna Diversity). Deshalb lohnt sich auch bei Modellen mit nur einer externen Antenne ein Blick ins Gehäuse. In der Regel ist auf dem WLAN-Modul nämlich eine winzige Buchse für die zweite Antenne bestückt. Dieser Steckertyp heißt je nach Hersteller U.FL oder Ipex. Mit einem kurzen Adapterkabel (Pigtail) lässt sich der Anschluss durch einen Lüftungsschlitz leicht nach außen führen. An einigen WLAN-Notebook-Karten und USB-Stöpseln findet sich ebenfalls ein Antennenstecker, ein Blick ins Datenblatt verrät, von welchem Typ – zumeist SMA oder RPSMA.

Die einfach nachzubauende Dosenantenne mit den hier angegebenen Maßen eignet sich für Basisstationen und Clients, die nach den Standards IEEE 802.11b und 802.11g bei 2,4 GHz funken. 802.11a nutzt dagegen das 5-GHz-Band, für das andere Maße gelten. Den für die Umrechnung nötigen Hintergrund liefert der Artikel Funkdosen-Theorie in c't 25/07 auf Seite 220. Ganz aktuelle Funkstationen gemäß dem Entwurf zum Standard 802.11n tummeln sich zwar ebenfalls im 2,4-GHz-Band. Doch sie nutzen von sich aus mehrere Verfahren, um ihre Antennen für optimale Reichweite und Geschwindigkeit zu kombinieren. Das funktioniert jedoch nur, wenn die Antennen die vom WLAN-Chipsatz erwartete Charakteristik haben.

Eine Richtantenne nützt dem Betreiber vor allem, weil sie die Empfangsqualität erhöht: Sie verstärkt nicht nur das aus der Hauptrichtung eingehende Signal, sondern dämpft alle Funknetze gleichermaßen, die nicht in Hauptrichtung liegen. Ein großer Teil der Störer wird damit einfach ausgeblendet.

Die Richtcharakteristik der Dosenantenne in räumlicher Darstellung zeigt eine rotationssymmetrische Keule mit rund 8 dBi Gewinn in Hauptrichtung und eine starke Dämpfung nach hinten.

Als Sendeverstärker darf man Richtantennen hierzulande im Frequenzbereich des WLAN-Standards IEEE 802.11b/g (2,4 GHz) nicht einsetzen. Denn die Bundesnetzagentur schreibt vor, dass in diesem Bereich die abgestrahlte Leistung 100 mW (Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP) nicht überschreiten darf. Das heißt, eine Richtantenne darf in keiner Richtung stärker strahlen als eine nicht richtende Antenne mit kugelförmiger Charakteristik, in die 100 mW eingespeist werden.

Übliche WLAN-Module geben jedoch nur zwischen 30 und 50 mW ab, wovon noch der Verlust in den Kabeln bis zur Dosenantenne abgeht. Die richtet nach unseren Messungen dann wieder so gut, dass aus den 50 mW am WLAN-Modul insgesamt mehr als die erlaubten 100 mW die Dose verlassen. Wer die Sendeleistung an der Basisstation auf die Hälfte herunterregelt, bleibt aber auf der sicheren Seite. Andernfalls könnten Störungen den Nachbarn veranlassen, sich bei der Bundesnetzagentur zu beschweren, die dann einen Messtrupp losschickt und eventuell eine Ordnungswidrigkeit bemängelt. Die Sendeleistung lässt sich zwar auch durch ein längeres Antennenkabel reduzieren, doch das beeinträchtigt auch die Empfangsleistung.

Umgekehrt ist eine gerichtet sendende Antenne aber ein freundlicher Akt gegenüber den Nachbarn, weil sie die Störungen reduziert.

Wer für eine Richtantenne nicht tief in den Geldbeutel greifen will, kann mit Hausmitteln allerhand Antennen selbst bauen: CD-Spindel, Aludeckel-Reflektor, Styropor-Yagi und viele andere Hausrezepte stehen im Internet. Doch eines der simpelsten und am leichtesten nachzubauenden Designs ist die Dosenantenne. Sie besteht lediglich aus einer Blechdose, einem eingesteckten Koppelstift und einer Anschlussbuchse für das Kabel zum Router.

Die nötigen Kleinteile fallen in die Kategorie „Pfennigkram“: N-Buchse, Befestigungsmaterial und ein Stück Kupferdraht.

Im Prinzip ist für die Dosenantenne jedes elektrisch leitfähige Metall geeignet. Hier lohnt ein Blick in die Haushaltswarenabteilung des Supermarktes oder gar in den Hausmüll: Kandidaten sind Nudeldosen, Konserven, Kaffeedosen, Verpackungen von Spirituosen der gehobenen Preisklasse und viele mehr. Der optimale Innendurchmesser liegt für 2,4 GHz-WLAN zwischen 84 und 92 Millimeter, mit leichten Einbußen bei Gewinn und Richtschärfe auch bis 111 Millimeter. Anders als in vielen Selbstbauanleitungen behauptet, kommt es nach unseren Erkenntnissen durchaus auf die Länge an. Da sich die gute Anpassung periodisch wiederholt, geben wir im Antennenrechner unten mehrere einige beispielhafte Maße an. Die Dosenlänge muss nicht präzise stimmen, erst wenn das Maß um mehr als zwei Zentimeter abweicht, sollte man die Säge ansetzen.

Antennenrechner: Maße für die Dosenantenne

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Eingabegrößen

Betriebsfrequenz f in GHz:

Dosendurchmesser D in mm:

Ergebnis

Da sich dieser Online-Rechner nicht gut zum Einkaufen mitnehmen lässt, haben wir in der Tabelle unten einige beispielhafte Maße zusammengestellt.

Kommt es auf Wetterfestigkeit und Haltbarkeit an, ist eine Dose aus Edelstahl oder Aluminium sinnvoll. Die Dosenwände sollten allerdings glatt sein und nicht etwa wie viele Konservenbüchsen Verstärkungsrippen haben. Dies gilt besonders für den Dosenboden, der vollkommen plan sein sollte. Andernfalls kommt es zu Streuungen und destruktiven Interferenzen der geführten Welle, was sowohl den Antennengewinn als auch die damit verbundene Richtwirkung verschlechtert.

Löcher und Schlitze in der Dosenwand hingegen sind kein Problem, solange ihre Größe unterhalb eines Zehntels der WLAN-Wellenlänge bleibt, also etwa einen Zentimeter bei 2,4 GHz. Im Zweifel schaffen eine Schicht Alufolie und Klebeband Abhilfe. Verstärkungsringe oder andere Metallteile, die in den Innenraum hineinragen, stellen jedoch erhebliche Störstellen dar und sind zu vermeiden.

Als besonders geeignet erweisen sich die Edelstahlhalter von Designer-WC-Bürsten. Wir kauften für unsere Selbstbauten beim nächsten Baumarkt ein, da wir die Dosen so vor Ort vermessen konnten. Ihre Maße sind selbst ohne Zuschnitt nahezu ideal: Der Innendurchmesser beträgt 91,5 mm und die Länge 240 mm. Die Resistenz gegen Wasser liegt bei dem Edelstahlständer in der Natur der Sache, als Antenne eignet er sich somit selbst für Außenanbauten. Da der Preis bei knapp über 20 Euro liegt, fällt er jedoch schon in die Kategorie "Luxus-Dose". In Internet-Shops finden sich ähnlich aussehende Modelle schon ab acht Euro.

Optimale Dosenmaße bei 2,45 GHz
Durchmesser Dosenlängen Abstand
76 231, 416, 601,… 93
78 194, 350, 506,… 78
80 172, 310, 449,… 69
82 157, 284, 410,… 63
84 146, 264, 382,… 59
86 138, 249, 360,… 55
88 132, 237, 343,… 53
90 126, 227, 329,… 51
92 122, 219, 317,… 49
94 118, 213, 307,… 47
96 115, 207, 299,… 46
98 112, 202, 291,… 45
100 109, 197, 285,… 44
alle Angaben in Millimeter

Sieht man einmal von Router und Antennenkabel ab, die im guten Elektrofachhandel erhältlich sind, fallen die für die Dosenantenne benötigten Teile in die Kategorie Taschengeld: vier Befestigungsschräubchen mit Senkkopf und passenden Unterlegscheiben und Muttern, die 50-ohmige N-Buchse (nicht TNC) mit Flansch und ein Kabelrest aus einem Elektroinstallationskabel. Der abisolierte Draht sollte nicht dünner als ein Millimeter sein und muss in die Hülse an der N-Buchse passen. N-Buchsen mit Befestigungsmutter sind nur eingeschränkt für die Dosenantenne geeignet, da sie ins Doseninnere ragen und als Störstelle für die elektromagnetische Welle den Gewinn verringern.

Einkaufsliste

  • N-Einbaubuchse, 50 Ohm, für Flanschmontage
  • 1,5 mm2 (Querschnitt) Kupferkabel, etwa aus einem dreiadrigen NYM-Verlegekabel
  • Senkkopfschräubchen, 10 mm lang, maximal 3 mm Gewindedurchmesser
  • vier passende Muttern
  • Unterlegscheibchen, etwa 20 Stück

Für die verwendete N-Buchse sind fünf Bohrungen nötig: vier kleine für die Schrauben und eine große für die Einkopplung. Diese sollte möglichst genau dem Außendurchmesser der weißen Wellenführung der N-Buchse – zehn Millimeter bei der verwendeten Buchse – entsprechen, und zwar so, dass wie im Bild zu sehen der äußere Metallleiter möglichst sauber am Blech anliegt und so wenig wie möglich in die Dose ragt.

Den Lötkolben muss man nur für den Koppelstift aus Kupferdraht anheizen. Dieser muss mit dem Innenleiter der Buchse verbunden und auf die richtige Länge gekürzt werden.

Beim Bohren in das dünne Blech hat sich die Aufbohrmethode bewährt: Zuerst körnen Sie so genau wie möglich den Ort an, wo später der Kopplungsstift stehen soll. Den Abstand vom Boden im Inneren der Dose entnehmen Sie dem Antennenrechner. Beim Messen müssen Sie die Breite des Falzes am Dosenboden berücksichtigen.

Die erste Bohrung sollte mit einem möglichst kleinen Bohrer (2 mm) erfolgen. Er lässt sich gut in der Körnung (mit Hammer und Nagel) platzieren und leicht dort halten. Wenn man mit hohen Drehzahlen und geringem Druck arbeitet, ist das "Einfressen" des Bohrers in das dünne Blech eher unwahrscheinlich. So arbeitet man sich etwa in 2-mm-Schritten bis zum benötigten Durchmesser hoch. Das letzte Stück lässt sich bei Bedarf auch mit einer Rundfeile arbeiten.

Außer dem Koppelstift sollte nichts ins Doseninnere hineinragen. Andernfalls kommt es durch Streuungen und Reflexionen zu Verlusten. Dies war auch der Grund, Schrauben mit Senkkopf einzusetzen.

Als Koppelstift verwendeten wir den gestreckten Kupferdraht eines regulären, dreiadrigen Elektroinstallationskabels. Er muss an den Innenleiter der N-Buchse angelötet werden. Es ist wesentlich einfacher, erst zu löten und anschließend zu kürzen, anstatt den Draht direkt auf Länge zu schneiden. Diese muss einschließlich des herausragenden Teils des Buchseninnenleiters 30 Millimeter (ein Viertel der Wellenlänge der Betriebsfrequenz) betragen.

Außen zwischen Dosenblech und N-Buchse sorgen Unterlegscheiben für den richtigen Abstand. Der Metallzylinder um das weiße Dielektrikum der Buchse sollte genau auf Dosenblechhöhe abschließen und nicht in die Dose hineinragen. Wir verwendeten zwei Unterlegscheiben je Schraube. Die vier Schrauben sorgen auch für zusätzlichen elektrischen Kontakt zur Antennendose. Ist die Dose lackiert oder auf andere Weise beschichtet, muss mit Schmirgelpapier um die Bohrungen herum für elektrische Leitfähigkeit gesorgt werden. Sollte die Koppelbohrung zu groß ausfallen und der elektrische Kontakt zur Buchse fehlen, lässt sich mit eng zusammengeknüllter Alufolie zwischen Buchsenflansch und Dose nachhelfen.

Metallkragen und Dosenwand sollten auf gleicher Höhe abschließen. Zwei Unterlegscheiben sorgen für den richtigen Abstand zwischen Flansch und Blech.

Bei allen Arbeiten sollte man darauf achten, dass die Dose rund bleibt, da sich ihre Richtwirkung sonst verschlechtert.

Um die fertige Antenne an einem Halter zu montieren, sollte man keine zusätzlichen Schrauben durch die Wand bohren, denn ihre Köpfe würde im Innern Störstellen bilden. Für den Inneneinsatz genügt es in der Regel, die Dose mit Gewebeklebeband (Gaffer-Tape), Klettband oder großen Kabelbindern an einem Regal oder Regalhalter zu befestigen. Wetterbeständiger sind für die Außenmontage Regenrinnen-Schellen oder korrosionsbeständiges, beschichtetes Lochband.

Wenn die Antenne ihren Platz auf dem Dach finden soll, muss man sich noch um den Blitzschutz kümmern. Denn nur wenn der Mast fachgerecht an die Blitzschutzanlage angeschlossen ist, zahlt bei einem Schaden am Haus die Versicherung. Weniger problematisch ist die Montage an der Hauswand: Es genügt, wenn die Antenne mehr als zwei Meter unter der Traufe und höchstens einen Meter vor der Wand hängt. Das lässt sich leicht mit einem Wandhalter für Satellitenschüsseln umsetzen. In vielen Fällen genügt es jedoch, die Antenne im Innenraum an einem Fenster zu positionieren, auch wenn moderne beschichtete Fenster etwas Leistung kosten.

Um die Antennenleistung und den Einfluss von Fertigungstoleranzen zu ermitteln, bauten wir zwei Ausführungen der Dosenantenne und ließen sie am Institut für Hochfrequenztechnik der Leibniz Universität Hannover vermessen. Eine Dosenantenne bohrten wir auf etwa einen halben Millimeter genau, verpassten ihr jedoch einen um etwa 2 Millimeter zu langen Koppelstift. Bei der zweiten Dosenantenne ist der Koppelstift nicht exakt gerade und die Erregerbohrung ein Millimeter zu weit von der Rückwand entfernt. Außerdem ist ihre N-Buchse mit nur zwei statt vier Schrauben befestigt, was zu einem schlechten elektrischen Kontakt zur Dose führt.

Mit abweichenden Parametern gebaute Antennen (blau, schwarz) weichen im markierten WLAN-Bereich nur wenig von der simulierten idealen Antenne (rot) ab. Werte unter –10 dB sind gut.
Besonders deutlich fällt bei der Dosenantenne die starke Dämpfung auf der Rückseite aus. Störende Router in der Nachbarschaft sind in diesem Bereich kaum noch ein Problem.

Das Fazit der Wissenschaftler: Verglichen mit dem idealen Simulationsergebnis bewegen sich die Leistungsunterschiede beider Antennen im unteren einstelligen Prozentbereich und sind damit vernachlässigbar. Dies bescheinigt der Dosenantenne eine erstaunlich hohe Resistenz gegenüber Fertigungsfehlern, wenn sie im optimalen Durchmesserbereich liegt. Am Streuparameterdiagramm (oben und rechts) lässt sich das unterschiedliche Verhalten der beiden Antennen im Vergleich zum Simulationsergebnis ablesen. Sehr gut erkennbar ist, dass sich die Resonanzstelle der Dosenantenne mit dem zu langen Koppelstift auf knapp über 2,3 GHz verschoben hat. Diese Frequenz passt zur Koppelstiftlänge von etwa 32 Millimeter. Bei der zweiten Dosenantenne stimmt die Resonanzfrequenz, doch die eingangsseitige Reflexion ist deutlich höher. Die Abweichungen lassen sich durch eine Kombination von Ungenauigkeiten in der Fertigung erklären: ungerader Koppelstift, falscher Rückwandabstand, außerdem möglicherweise Abweichung der Dose vom Idealzylinder und schlechter Kontakt zwischen N-Buchse und Dosenwand.

Wirklich wichtig ist jedoch, dass der Durchmesser stimmt, da sonst der Anteil der zum Sender zurücklaufenden und somit nicht abgestrahlten Leistung steigt. Das passiert bei einer Dose im kritischen Bereich der Abbildung unten von weniger als 84 oder über 111,5 Millimetern.

Der Innendurchmesser ist entscheidend für eine gute Dosenantenne. Grün ist der optimale Bereich, Gelb der tolerable, in dem es zu leichten Verlusten kommt. Im orangen Bereich ist die Charakteristik der gebauten Antenne kaum vorhersehbar.

Die fertigen Antennen mussten sich in einem Praxistest beweisen. Wir wählten eine Funkstrecke mit Sichtkontakt von einem Kilometer Länge sowie eine 30-Meter-Verbindung innerhalb eines Bürogebäudes ohne Sichtkontakt. Als Testaufbau wählten wir zwei WLAN-Router der WRT54G-Serie von Linksys, und als Router-Betriebssystem installierten wir OpenWRT 7.07 "Kamikaze". Die Durchsatzmessung erfolgte mit dem Netzwerk-Tool iperf: Wir mittelten fünf Halbduplex-Testläufe zu je 20 Sekunden bei einer Fenstergröße von 128 KByte. Router und Dosenantennen waren über drei Meter lange Kabel miteinander verbunden.

Die Klobürsten-Dosenantenne musste sich auch einem Praxistest unterziehen. Unter Optimalbedingungen betrug der Nettodurchsatz auf einem Kilometer Entfernung über 8 MBit/s.
Die Dosenantenne wurde in der Universität Hannover gemessen. Rechts ist die Empfangsantenne zu sehen. Gedreht wurde sowohl um Vertikal- als auch Längsachse.

Auf der Langstrecke kam mit beidseitig montierten Standard-Stummelantennen keine Verbindung zustande. Doch schon mit einer Dosenantenne an einem der beiden Router erhielten wir einen Link. Iperf lieferte einen gemittelten TCP-Durchsatz von 2,3 MBit/s. Durch den Einsatz der Dosenantenne an beiden Routern ließ sich der Durchsatz auf 8,5 MBit/s steigern.

Hier ist zu beachten, dass wir die Funkverbindung unter Idealbedingungen testeten: Sichtkontakt und eine fast vollständig freie Fresnel-Zone; das ist der Raumbereich zwischen zwei Antennen, in dem die Energie vom Sender zum Empfänger übertragen wird. Sie hat in etwa die Form eines langgestreckten Footballs, der bei WLAN einen Durchmesser von etwa einem Drittel der Wurzel aus der Entfernung in Metern hat – rund zehn Meter bei einem Kilometer. Wenn die Fresnel-Zone nicht durchgängig frei ist, etwa weil Bäume oder Häuser zu nah an der freien Sichtverbindungslinie stehen, ist besonders bei Regenwetter mit erheblichen Verlusten zu rechnen.

Im Büroumfeld kann von freier Fresnel-Zone keine Rede sein. Mit Stummelantennen kam selbst auf die kurze Distanz durch mehrere Wände keine Verbindung zustande, doch eine Dosenantenne genügte für eine Verbindung mit 3,2 MBit/s Durchsatz. Mit beidseitiger Dosenantenne waren es schon 7,1 MBit/s. Insbesondere an der Verkabelung ließe sich unser Aufbau noch optimieren. Speziell angefertigte, möglichst kurze Kabel könnten die Verluste verringern.

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