Kabelfragen

So funk-tionieren Antennen

Praxis & Tipps | Praxis

Seite 3: Kabelfragen

Ein oft vernachlässigtes Detail ist der Anschluss der Antenne an die WLAN-Baugruppe über das Kabel. Bei derart hohen Frequenzen taugt ein gewöhnlicher Klingeldraht nicht, weil sich das Feld eines WLAN-Signals über 2,4 Milliarden Mal pro Sekunde ändert. Da ist die Selbstinduktion des Kupferdrahts so stark, dass das Signal praktisch nicht weitergeleitet werden kann. Die einzige Chance liegt im Ausnutzen eines entgegengesetzten Effektes: Im Kondensator nimmt das Aufbauen der Ladung Zeit in Anspruch, während dieser Zeit fließt anfänglich ein besonders hoher Strom. Wenn man nun an bestimmten Stellen des Kabels einen zur Selbstinduktion passenden Kondensator einbaute, dann würden sich beide Effekte kompensieren, und das Signal kann im Kabel laufen. Dieser Überlegung folgt der Aufbau des Koaxialkabels.

Ein Koax-Kabel ist kein simpler Draht: In seinem Inneren läuft die Leistung als elektromagnetische Welle aus E- und H-Feld. Es verhält sich quasi wie eine Kettenschaltung aus Spulen und Kondensatoren.

Hinzu kommt, dass sich das elektrische Feld ausschließlich im Inneren des Kabels zwischen Innenleiter und Mantel befindet. Es kann infolge der Schirmung durch den Mantel nicht abgestrahlt werden. Zwar sind die magnetischen Felder von Innenleiter und Mantel außerhalb des Kabels gleich stark, jedoch heben sie sich wegen der gegensinnigen Stromrichtung auf. Das Kabel strahlt nach außen also E- und H-Felder so gut wie gar nicht ab und hat damit beste Voraussetzungen für den Einsatz als Antennenzuführung.

Bei Koax-Kabeln ist eine wesentliche Kenngröße der Wellenwiderstand (Impedanz). Dieser resultiert über die "Telegraphengleichung" aus dem induktiven Belag (virtuelle Spulen) pro Längeneinheit und dem kapazitiven Belag (virtuelle Kondensatoren). Der Wellenwiderstand ist deshalb wichtig, weil das Kabel die Sendeleistung nur dann ohne Verluste übernimmt, wenn der Sender sie mit gleicher Impedanz einspeist. Das Gleiche gilt antennenseitig: Nur wenn Wellenwiderstand von Kabel und Antenne gut übereinstimmen, wird die Leistung optimal ausgekoppelt.

Eine Fehlanpassung, bei der die Impedanzen von Sender, Kabel oder Antenne stark voneinander abweichen, bewirkt sende- wie empfangsseitig erhebliche Leistungseinbußen. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn man den 50-Ohm-Ausgang einer WLAN-Karte über ein 75-Ohm-Kabel (typisch in Sat-TV-Anlagen oder zwischen TV-Antenne und Fernsehgerät) mit dem 50-Ohm-Eingang einer WLAN-Antenne verbindet. Der Effekt tritt auch schon bei sehr kurzen Kabelstücken auf.

Im Sendefall kann solch eine Fehlanpassung sogar zum Elektronikkiller werden: Die im Kabel zwischengespeicherte Energie kehrt wie bestellt und nicht abgeholt an der Bruchstelle zum Sender zurück, aber sie kann wegen der Energieerhaltung nicht verschwinden. Der Sender muss nun außer mit seiner eigenen Verlustleistung auch mit der reflektierten Leistung fertig werden. Der Effekt hat schon so manche CB-Funk-Endstufe das Leben gekostet. Zwar ist er bei 2,4-GHz-WLAN mit 100 mW noch unproblematisch, könnte aber bei 5,7-GHz-WLAN-Basisstationen mit 1 Watt Sendeleistung wieder relevant werden. Man sollte daher niemals einen Sender ohne angeschlossene Antenne betreiben.

Die zweite wichtige Kenngröße bei Kabeln ist die unvermeidliche Dämpfung. Nur Supraleiter übertragen elektrische Energie verlustfrei, aber die sind in der Praxis noch nicht einsetzbar, und wenn dereinst, dann wohl nur für niederfrequente Energieübertragung. Bei Koax-Kabeln gilt als Faustregel, dass dünnere Kabel stärker dämpfen als dickere. Außerdem steigt die Dämpfung, die die Kabelhersteller in Dezibel pro Meter (dB/m) angeben, generell mit der Frequenz.

Schon fünf Meter billiges Kabel, das aber auch schon ohne Weiteres 1 Euro pro Meter kostet, können bei 2,4 GHz den gesamten Gewinn einer 10-dBi-Patch-Antenne schlucken. Hochwertiges Kabel wird auf dieser Distanz kaum mehr als 1 Dezibel Dämpfung verursachen, kann aber leicht mit fünf Euro pro Meter zu Buche schlagen.

Die Wellenlänge beträgt bei 2,4-GHz-WLAN im Kabel wegen der niedrigeren Wellengeschwindigkeit typischerweise nur noch 6 cm, also 3 cm zwischen Plus und Minus der Amplitude auf dem Mittelleiter. Daher fordern hohe Frequenzen hohe Fertigungspräzision bei Antennen und anderen Komponenten. Extrem wird dies im 5,7-GHz-Band, bei den Steckverbindern beträgt die Toleranz dann typischerweise wenige Mikrometer.

Sorgsames Handhaben der Stecker ist dabei zwingend für gute Übertragungseigenschaften. So darf man niemals eine SMA-Buchse durch Drehen um die eigene Achse in einen widerspenstigen Stecker hineinzwingen. Durch die Drehung des Stiftes in der Buchse kann Letztere irreparabel beschädigt werden, sodass es zu ungewollten Reflexionen und damit Signalverlust kommt. Daneben ist das maximale Drehmoment bei SMA unbedingt einzuhalten, wofür man passende Drehmomentschlüssel hernimmt. Lüsterklemmen, fliegende Lötstellen und Ähnliches haben in einer Hochfrequenzanlage nichts zu suchen.

Ein weiterer HF-Aspekt ist, dass die Leistung nicht auf dem Leiter, sondern als Feld im isolierenden Dielektrikum des Kabels läuft. In Extremfällen kann man den Innenleiter sogar weglassen, man erhält dann einen runden oder quadratischen Hohlleiter, der die Basis aller selbstgebauten Dosen-Antennen ist. Diese funktionieren aber erst ab einer bestimmten Mindestfrequenz, die von den Dimensionen des Hohlleiters abhängt. Sind diese für eine Frequenz zu klein, dann gibt es keine geeigneten Moden, der Hohlleiter sperrt. Mit einem Trichter, der die Hohlleiter-Öffnung sanft aufweitet, wird aus der Hohlleiter-Antenne ein Horn-Strahler.

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