Externe Antennen verbessern Reichweite bei DECT und WLAN
External Antennas improving Coverage of DECT and Wi-Fi

Bodo Woyde, DL7AFB

Rechtliche Hinweise: Sende- und Empfangsanlagen unterliegen besonderen gesetzlichen Bestimmungen. Bitte beachten Sie die Einhaltung der Gesetze ihres Landes. In der Europäischen Gemeinschaft, so auch in der Bundesrepublik Deutschland, ist es in der Regel nicht gestattet, elektrische Geräte zu verändern, oder technisch veränderte Geräte in Betrieb zu nehmen. Sie verlieren mit jeder Manipulation nicht nur Garantieansprüche, sondern auch die allgemeine Betriebserlaubnis.
Hinweise zu ihrer Sicherheit: Arbeiten an elektrischen Geräten dürfen nur von fachlich geschulten Personen durchgeführt werden. Schützen Sie sich und andere vor einem elektrischen Stromschlag - er kann tödlich enden. Also, bei Arbeiten an elektrisch betriebenen Geräten stets den Netzstecker ziehen! Bitte beachten sie auch meinen Haftungsausschluss - für Funktion oder eventuell entstehende Schäden übernehme ich keinerlei Haftung!

Inhaltsverzeichnis: Reichweite, DECT-Basis, WLAN-USB-Stick,  Ring-Antenne, Doppel-Quad, Viefach-Quad, Kollinear,  Helix-Beam, WLAN-Yagi, Hohlleiterstrahler, Parabol-Spiegel, Linksammlung

Reichweite - Coverage
Bestimmende Parameter für die Reichweite eines Funksystems sind Frequenzband, Sendeleistung, Empfängerempfindlichkeit, Bandbreite, Funkfeld und Antennengewinn sowie ggf. störende Beeinflussungen. Nimmt man die ersten vier, die durch gesetzliche Regelungen, Normen und Standards festgelegt sind, als gegeben an, verbleibt zur Optimierung noch das Funkfeld und der Antennengewinn.

Das Funkfeld lässt sich in einigen Fällen durch geeignete Wahl des Antennenstandortes in gewissen Grenzen beeinflussen. Neben der Entfernung zwischen Sender und Empfänger spielen Hindernisse auf der Übertragungsstrecke eine wesentliche Rolle. Mancher kennt vielleicht den Effekt, dass wenn man mit dem Mobiltelefon am Ohr in einen Aufzug steigt, beim Schließen der Tür plötzlich die Verbindung abbricht. Die Ursache dafür ist, dass man sich von einem auf den anderen Moment in einem hermetisch geschlossenen "Käfig" befindet, den die Funkwellen nicht mehr hinreichend zu durchdringen vermögen. Sicherlich ein Extrembeispiel. Jedoch kann bereits eine einfache Ziegelwand die Reichweite eines DECT- oder WLAN-Senders auf Bruchteile der im Freien erreichbaren Entfernung reduzieren. Also sollte man sich bereits beim Aufstellen der Basisstation Gedanken machen, ob sich ein Platz finden lässt, der zentral liegt und von möglichst wenigen Wänden "abgeschattet" wird. Metallplatten und Wände oder Decken aus Stahlbeton erweisen sich oft als undurchdringlich, was Funkübertragungen zwischen verschiedenen Stockwerken erschwert oder sogar komplett verhindert.

Will man unter erschwerten Bedingungen im Bereich der Grenzreichweite dennoch eine stabile Funkverbindung aufbauen, kann der Einsatz einer Zusatzantenne recht hilfreich sein. Nebenbei kann sich durch die Verwendung einer gewinnbringenden Antenne, wegen des Bündelungseffektes, auch eine Verbesserung der Übertragungsqualität gegenüber störenden Beeinflussungen anderer Funkteilnehmer ergeben.

In den folgenden Abschnitten werden einige Möglichkeiten aufgezeigt, wie man einerseits käufliche Geräte für den Betrieb an externen Antennen vorbereitet und andererseits welche Antennenformen zur Auswahl stehen, wie sie sich nachbauen lassen, welche Eigenschaften sie haben und welchen Vorteil sie bringen.

Vorbereitung einer DECT Basisstation für externe Antennen
Preparation of DECT-Base for use of external Antennas
Basisstationen gebräuchlicher Schnurlos-Telefonanlagen, die nach dem DECT-Standard (Digital Enhanced Cordless Telephone) im 1,89-GHz-Band arbeiten, verwenden in der Regel wenig Gewinn bringende integrierte Monopol-Antennen, und verfügen in den seltensten Fällen über Anschlussbuchsen für externe Antennen. Deshalb muss zunächst ein geeigneter Zugang zum Sende-Empfangsteil gelegt werden. Die folgenden Bilder, von denen sich einige durch anklicken vergrößern lassen, zeigen beispielhaft den Umbau eines Siemens Gigaset-4170 DECT-Basisteils, sowie eines Siemens Gigaset-Repeaters.

Eine dreifach gestockte kollineare Dipolzeile, wie sie hier auf einer DECT-Basis zu sehen ist, kann die Reichweite bereits deutlich erhöhen. In das Gehäuse ist dazu ein Durchbruch für ein nachzurüstendes Antennenkabel einzubringen. Die Verwendung einer kleinen Standard-Koaxialbuchse, z.B. vom Typ SMA, eröffnet die Möglichkeit mit verschiedensten Antennentypen zu experimentieren und sie bei Bedarf auszuwechseln.

Am geöffneten Gerät erkennt man oben links das nachträglich eingebaute Koaxialkabel, sowie den Fußpunkt der Antenne. Das Öffnen des Gehäuses beginnt man vorzugsweise am Bodenteil durch Entriegeln der Einrastfedern, anschließend arbeitet man sich entlang weiterer Haltekrallen behutsam nach oben vor, bis sich die beiden Gehäuseschalen auseinander klappen lassen. Die Baugruppe liegt nun offen und kann vorsichtig herausgehoben werden. Funkenschlag durch elektrostatische Entladung (ESD) sollte man tunlichst vermeiden, denn die empfindlichen Schaltkreise könnten davon irreparablen Schaden nehmen. Erden sie am besten sich und den Lötkolben bei Arbeiten an der Baugruppe.

In der Nahaufnahme im Bild oben links erkennt man das nachgerüstete 3,5mm Semi-Rigid Koax-Kabel vom Typ UT-141, sowie den Abgriff für die Antenne. In der Ausschnittsvergrößerung ist die nach oben herausgeführte Antennenleitung zu sehen. Das schwarze Bauteil im rechten Bild, etwas unterhalb der Bildmitte, ist eine PIN-Diode zur Umschaltung der beiden Antennenpfade für das Antennen-Diversity. Diese Technik ermöglicht das Umschalten zwischen zwei Antennen - je nachdem, welcher Zweig den besseren Empfang liefert. Darüber ist ein SMD-Koppelkondensator zum oberen Antennenschenkel, sowie der Innenleiter des Koaxialkabel zu erkennen. An dieser Stelle erfolgt der Abgriff für die externe Antenne, wozu der obere Antennenschenkel durchgetrennt wird. Um die Funktion des Antennenschalters nicht zu beeinträchtigen ist die Verwendung eines Koppelkondensators ca. 15...22pF Bauform SMD-0402, zwischen Diode und Antennenleitung erforderlich. Die nun brach liegende, abgetrennte Leiterbahn-Antenne kann dem Koaxialkabel als Befestigung dienen. Die Masseverbindung zum Schirm des Koaxialkabels kann mit einem kleinen Kupferdrahtbügel zu den eng benachbarten GND-Durchführungen erfolgen.

Sehr ähnlich sieht auch der Umbau des Gigaset Repeaters aus. Das Koaxialkabel, hier ein 2mm Semi-Rigid vom Typ UT-085 mit SMA-Buchse, sollte man zur besseren Stabilisierung an mehreren Stellen mit der Massefläche verlöten. Den Innenleiter führt man wie zu sehen durch den Schlitz in der Leiterplatte auf die Oberseite, wo er wie im nächsten Bild gezeigt, an die von der Umschaltdiode kommenden Mikro-Streifenleitung angeschlossen wird. Ebenso wie oben, ist die Verwendung eines Koppelkondensators ca. 15...22pF Bauform SMD-0402 zwischen Diode und Antennenleitung erforderlich.

Vorbereitung eines WLAN USB-Adapters für externe Antennen
Preparation of Wi-Fi USB-Stick for use of external Antennas
IEEE 802.11b
ISM-Band 2,44-GHz

Antennenformen - Antenna-Designs
Nachdem die notwendigen Umbaumaßnahmen an unterschiedlichen Endgeräten aufgezeigt wurden, richtet sich nun der Blick auf einige Antennentypen, die sich gut zum Nachbau eignen. Dabei soll nicht unerwähnt bleiben, dass sich die im Folgenden vorgestellten Antennen nicht nur zur Reichweitenverbesserung von DECT- oder WLAN-Funksystemen eignen, sondern auch für all die anderen im 2,4-GHz ISM-Band operierende Funkdienste, wie z.B. Bluetooth, Home-RF, oder ZigBee, um nur einige zu nennen, einsetzbar wären. Es werden die wichtigsten Eigenschaften, wie z.B. Abstrahlungsverhalten, Antennengewinn und Anpassungsverlauf gegenüber gestellt, Dimensionierungsangaben für verschiedene Frequenzbänder gemacht und weiterführende Links angegeben. Alle hier vorgestellten Antennen wurden selbst berechnet, simuliert, aufgebaut, gemessen und im praktischen Betrieb erprobt.

Ring-Antenne - Loop-Antenna
Relativ einfach und treffsicher gelingt selbst dem Laien der Nachbau einer Ring-Antenne. Es handelt sich - ähnlich wie bei der unten beschriebenen Quad - um eine Ganzwellenschleife, deren Umfang wie der Name bereits verrät eine ganze Wellenlänge beträgt. Ein zusätzlich angebrachter Reflektor verbessert das Vor-Rück-Verhältnis und steigert den Antennengewinn. Die Strahlungseigenschaft des Rings entspricht im Wesentlichen der eines Falt-Dipols. Er ist linear polarisiert. Die Polarisationsebene ist im Bild unten links mit einer blauen Linie gekennzeichnet. In der Ausschnittsvergrößerung unten rechts ist noch einmal der Anschluss der beiden Ringenden an das Koaxialkabel gezeigt.

Aus der folgenden Tabelle gehen die Abmessungen dieser Antenne hervor. Das Koaxialkabel kann man gleich als Stütze für den Strahler nutzen. Wer über entsprechende Messtechnik verfügt, kann die Anpassung durch leichte Variation der Höhe optimieren, jedoch sollte das kaum erforderlich sein.

Wie im Diagramm oben rechts abgebildet, verläuft die Resonanz recht breit, daher sollte der Nachbau gut und problemlos gelingen. Die Anfertigung des Reflektors kann wie bereits bei den Quad-Antennen aus Kupfer, Messing, oder Cu-kaschiertem Leiterplattenmaterial erfolgen. Die Bohrung für das Antennenkabel wird so angebracht, dass der Ring mittig zu liegen kommt.

Maße Ring-Antennen Dimensions Loop-Antenna
Band	Frequenz Frequency [GHz]	Wellenlänge Wavelength [mm]	Drahtlänge Wire length [mm]	Durchmesser Diameter  [mm]	Reflektor Reflector  [mm]	Höhe hight [mm]
	f	l = 300 / f	l	l / p	~ l / 2	~ l / 8
23-cm	1,296	231	231	73,5	116	29
DECT	1,890	159	159	50,6	79	20
13-cm	2,320	129	129	41,1	65	16
WLAN	2,440	123	123	39,1	61	15

In der folgenden Abbildung sind die aus der Simulation stammenden Abstrahlungsdiagramme zu sehen. Für diese Antenne wird ein Antennengewinn von 6,3dBD (8,5dBi) ausgewiesen. In der Vergleichsmessung ergaben sich 5,3dBD (7,5dBi)

Doppel-Quad-Antenne - Bi-Quad
Die hier vorgestellte  Doppel-Quad-Antenne setzt sich aus einem Reflektor und einem Strahler, der aus 2 parallel geschalteten Ganzwellenschleifen besteht zusammen, die ihrerseits aus 4 gleichlangen l/4-Segmenten aufgebaut sind. Er kann mit ein wenig Geschick aus einem einzigen Stück Draht gebogen werden. Als Reflektor dient eine Metallplatte, die mit dem Außenleiter des Koaxialkabels verlötet werden sollte. Sie lässt sich aus Messing, Kupfer oder Cu-beschichtetem Leiterplattenmaterial anfertigen. Die Resonanz dieser Antenne verläuft wie im Bild unten rechts zu sehen recht breit, so das man bei millimetergenauer mechanischer Ausführung ohne Abgleich und Messmittel zu einem funktionierenden Nachbau kommen sollte.

Die Dimensionierung dieser Antenne geht für die verschiedenen Bänder aus folgender Tabelle hervor. Weitere Bauanleitungen dieser Antenne, die oft auch Bi-Quad oder wegen des äußeren Erscheinungsbildes "Brillenantenne" genannt wird, sind in der unten beigefügten Linksammlung zu finden.

Diese Antenne zeigte bei Messungen eine ordentliche von der Reflektorplatte nach vorne gewandte Richtcharakteristik, wie aus der linken Grafik unten zu sehen ist. Sie ist linear polarisiert, und erzielte in der Vergleichsmessung gegen einen Dipol einen Antennengewinn von ca. 7,5dBD (9,7dBi). In der Simulation wird ein Gewinn von 7,8dBD (10dBi) ausgewiesen, und das Richtdiagramm sieht etwas symmetrischer aus, wie die Grafik unten rechts zeigt.

Im Praxistest an der DECT-Basisstation war im Bereich der Haupstrahlungsrichtung eine gute Verdopplung der Reichweite zu erzielen. In entgegen gesetzter Richtung tritt verständlicher Weise eine kürzere Reichweite auf.

Vierfach-Quad - Double-Bi-Quad
Diese Antennenform, auch Doppel-Bi-Quad genannt, stellt eine Erweiterung der Doppel-Quad um zwei weitere Strahlerelemente dar. Die Dimensionierung kann sinngemäß entsprechend oben stehender Tabelle ausgeführt werden, wobei die Reflektorlänge "a" den Faktor 1,5 zu verlängern ist. Zu beachten ist die Führung des Antennendrahtes, der sich vom ersten zum zweiten Quad-Element kreuzt, aber nicht berührt. Auch dieser Strahler lässt sich mit etwas Geschick aus einem Stück Draht formen. Auf dem Foto ist eine 2,4-GHz WLAN Ausführung abgebildet.

Ähnlich der Doppel-Quad, zeigt auch diese Antenne am Netzwerkanalysator ein sanftes breites Anpassungsverhalten, wie im folgenden Diagramm dargestellt. Eine Justage war nicht weiter erforderlich.

Im gemessenen Richtiagramm unten rechts ist gut zu erkennen, dass der Öffnungswinkel in der vertikalen Ebene (H) nur halb so groß ist wie der im Horizontaldiagramm (E). Das ist auf die Verdopplung der Strahleranzahl zurückzuführen. Der Antennengewinn betrug bei Vergleichsmessungen ca. 8,8dBD (11,0dBi). In der Simulation wird sogar ein Antennengewinn von 12dBi ausgewiesen.

Kollineare Dipolzeile - Collinear Array
Die oben bereits gezeigte dreifach gestockte kollineare Dipolzeile gehört zu den vertikal polarisierten rundstrahlenden Antennen. Sie lässt sich zwar mechanisch relativ einfach nachbauen, erweist sich aber in der messtechnischen Analyse als sehr schmalbandig und bedarf einer individuellen Abstimmung am Netzwerkanalysator. Da nur die wenigsten Bastler Zugriff auf solch ein Messgerät haben, und der blinde Nachbau eher zur Glückssache gerät, möchte ich dem Anfänger nicht gleich zu dieser Antenne raten.  Daher erspare ich mir an dieser Stelle vorerst die Konstruktionsangaben und verweise auf die unten angefügte Linksammlung.

Bei Vergleichsmessungen konnte an meinem Exemplar ein Antennengewinn von ca. 2,5dBD gegenüber einem Dipol festgestellt werden, was ca. 4,6dBi, dem Vergleich gegenüber einem theoretischen "isotropen" Kugelstrahler, entspricht. In der Praxis verbesserte sich die Übertragungsqualität  gerade im Bereich der Grenzreichweite deutlich. Die Reichweitenvergrößerung lag im leicht bebauten offen bewaldeten Gelände bei etwa 50%.

Helix-Antenne - Helix-Beam
Eine weitere interessante Antennenform ist die zirkular polarisierte Helix-Antenne. Sie ist vom Schwierigkeitsgrad her gerade noch beherrschbar und besticht geradezu durch ihre hohe Bandbreite. Das vorliegende Exemplar weist bei einer Länge von 30cm 8 Windungen auf und soll theoretisch einen Gewinn von 10,3dBDc (12,4dBic) erreichen. Das unten gezeigte Exemplar brachte es bei einer Vergleichsmessung gegen einen linear polarisierten Dipol auf 6,8dBD, was auf zirkulare Polarisation umgerechnet ca. 9,8dBDc entspricht und damit nur 0,5dB unter dem theoretischen Wert liegt. Bei der Nutzung dieser Antenne in linear polarisierten Funkwellen  ist zu berücksichtigen, dass sie aufgrund ihrer zirkularen Polarisation stets die Hälfte der Energie in der anderen Polarisationsebene abgibt und aufnimmt. Im Feldversuch mit der DECT Basis und dem Mobilteil hat sich gezeigt, dass sie keinen erkennbaren Vorteil gegenüber der Bi-Quad bringt. Das mag daran liegen das die Bi-Quad ebenso wie das Mobilteil lineare Polarisationsformen nutzen. Im Falle einer Zweipunkt WLAN-Verbindung kann das jedoch ganz anders ausgehen, wenn nämlich auf beiden Seiten Helix-Antennen mit gleichem Wicklungssinn zum Einsatz kommen. In der beigefügten Excel-Tabelle findet man die Dimensionierung und Leistungsangaben zu dieser Antenne; Bauanleitungen finden sich weiter unten bei den Links.

Simulation

WLAN-Yagi mit Styropor® Träger - WiFi-Yagi with Polystyren Boom
Die neueste "Erfindung" ist eine Yagi Antenne auf Schaumpolystyrol-Antennenträger im Einsatz eines WLAN DSL Links. Diese Antenne überzeugt durch die deutliche Steigerung der Linkqualität, was sich nicht nur in der Feldstärke, sondern gerade auch in der Übertragungsrate zeigt. Dabei ist sie einfach aufzubauen, schnell zu montieren und erfordert keinen Eingriff in das Grundgerät.

Der Aufbau der Elemente erfolgt vorzugsweise aus Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1mm, entsprechend einem Querschnitt von 0,75mm², wie er in der Elektroinstallation gelegentlich Verwendung findet. Die Längen der Elemente (von links nach rechts in mm) 50 - 51 - 51.5 - 52 - 53 - Strahler - 60, sowie die Abstände zwischen den Elementen (v.l.n.r. Mitte-Mitte in mm) 34 - 31 - 26 - 22 - 9 - 25 beschreiben diese Antenne komplett. Der quadratische 15mm Hartschaumstrang dient den Elementen als Träger und gleichzeitig als Befestigung am eingebauten Antennen-Strahler des WLAN-Routers. Der Träger ließe sich auch aus anderen Schaumstoffen oder ähnlich gut isolierenden Materialien, wie z.B. Balsa-Holz, fertigen. Ferner ist auch die Verwendung anderer Drahtstärken für die Elemente möglich, setzt jedoch eine Korrektur der Elementlängen voraus. So sind die Elemente bei Verwendung dickerer Drähte in ihrer Gesamtlänge etwas zu kürzen, und zwar für 1,5mm² Draht um ca. 1mm sowie für 2,5mm² Draht um ca. 2mm.

Die Elementlängen und Abstände dieser Antenne lehnen sich in ihrem Grunddesign an Günther Hochs Hochleistungs-Yagis an.  Da diese Yagi mit nur 7 Elementen eine Länge von weniger als 2λ aufweist, war eine Optimierung mit Hilfe eines Antennensimulators  MMANA erforderlich. Dieser weist einen Gewinn von 9,7dBD (11,8dBi) aus. Der Praxisbetrieb zeigt eine Anhebung der Link-Qualität von wackeligen 55% auf stabile 94%, wobei die Datenrate in den höchsten Modus von 54Mbps schaltet.

Abmessungen für DECT (1,89 GHz) Gewinn 12.6dBi
Wie oben: Elemente von links nach rechts in mm 65 - 65 - 66 - 67 - 68 - 69 - Strahler - 78, sowie die Abstände zwischen den Elementen von links nach rechts in mm  55 - 54 - 46 - 30 - 28 - 15 - 31

Hohlleiterstrahler - Cavity-Antenna
Die elektromagnetische Energie gibt ein Hohlleiterstrahler an seiner geöffneten Querschnittsfläche, die üblicher Weise rechteckförmig oder rund ausgeformt ist, in axialer Richtung ab. Zylinderförmige Strahler werden im Volksmund auch gerne Dosenantenne, Can-Antenna oder kurz C-Antenna genannt, weil die mechanischen Abmessungen gängiger Konservendosen nicht selten exakt den Anforderungen eines Hohlleiterstrahlers für DECT- oder WLAN-Funksystemen genügen. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft eine handelsübliche "Pfirsich-Dose" mit 10cm Durchmesser und 11cm Länge im WLAN Einsatz.

Entscheidend für die zufrieden stellende Funktion der Antenne ist die Wahl der richtigen "Dose". Sie muss den für die genutzte Wellenlänge passenden Durchmesser "D", sowie die richtige Länge "L" aufweisen. Unpassende Abmessungen können störende Resonanzen verursachen, oder die Ausbreitung einer Welle gänzlich verhindern. Die Anregung des Hohlleiters im H11-Mode erfolgt zweckmäßiger Weise mit einem l/4-Monopol. Dieser besteht aus einem metallischen Stift der Höhe "h", der im Abstand "a" vom Boden der Dose angebracht ist. Kupferdraht, wie er in der Elektroinstallation Verwendung findet, ist aufgrund seiner guten Leitfähigkeit gut geeignet. Hilfreich ist die Verwendung einer Flanschbuchse vom Typ BNC, N oder SMA, an die man später ein Antennenkabel anschließen kann. Der Aufbau ist recht einfach: man bohrt zunächst ein kleines Loch im Abstand "a" vom Boden (innen gemessen) in die Zylinderwand, lötet den Antennenstab (Monopol) an den Innenleiter der Buchse, wobei als Höhe die von der seitlichen Innenwand gemessene gilt.  Anschließend schiebt man den Monopol durch die Bohrung in die Dose und Verlötet zum Schluss den Flansch der Buchse mit der Außenwand. 

Wer Dosen mit anderen Durchmessern als die oben angegebenen verwenden möchte, kann die hier verknüpfte Excel-Tabelle als Rechenhilfe nutzen. Man muss dann selbst darauf achten, einem "günstigen" Durchmesser- und Längenbereich zu erzielen. Um das auch dem Laien zu erleichtern, sind die Tabellen farblich markiert: grün hinterlegte Felder zeigen günstige Abmessungen an, rötlich eingefärbte Felder weisen störende Resonanzen durch unerwünschte Hohlleitermoden auf. Die folgende Abbildung zeigt eine selbstgebaute WLAN-Hohlleiterantenne, die aus einem kupfernen Regenwasser-Fallrohr mit 85mm Durchmesser exakt nach den Vorgaben aus der Tabelle oben angefertigt wurde. Diese Rohre finden sich in gut sortierten Baumärkten als Standardware.

Das linke Bild zeigt den Blick in den Zylinder, in dem man gut den Monopol sehen kann. Im rechten Bild ist die Anbringung der Antennenbuchse (hier Typ SMA) zu erkennen.  Der Antennengewinn des Hohlleiterstrahlers nimmt mit steigendem Durchmesser leicht zu. Angaben dafür sind ebenfalls in der bereits oben erwähnten Excel-Tabelle enthalten. Bei Vergleichsmessungen zeigte die kupferne 85mm-Regenrohr-Antenne einen Gewinn von ca. 5,4dBD (7,6dBi) und einen 10dB-Öffnungswinkel von +/-75°. Dem gegenüber brachte es die oben beschriebene 100mm-Pfirsichdose auf nur 4,4dBD (6,6dBi) und bleib damit mehr als 2dB hinter den Erwartungen zurück. Selbst ein kurzer Hand angelöteter Blechstreifen, der die Pfirsichdose von 115mm auf die rechnerisch erforderlichen Länge von 132mm verlängerte, steigerte den Gewinn nur um knapp 1dB, auf 5,2dBD (7,4dBi). Die verbleibende Abweichung im Antennengewinn könnte vermutlich auf die wellige Wandung der Konservendose zurück zu führen sein. Unabhängig davon eignet sich diese Antennenform wegen der gleichmäßigen Strahlungskeule ebenfalls ausgezeichnet als Erreger für Parabolspiegel, sie kann aber auch als Einzelstrahler eingesetzt werden.

Parabol-Antenne - Parabolic-Dish
Die Königin der Antennen ist der Parabolspiegel. Kaum eine andere Antennenform ist in der Lage, mit vergleichbarem Aufwand großen und größten Antennengewinn zu liefern. Mit Einführung des Satellitenfernsehens hat diese Antennenform längst Einzug in unseren Alltag gehalten. Ausgediente "Schüsseln" sind auf dem Gebrauchtmarkt leicht und preiswert zu beschaffen und lassen sich einfach für andere Zwecke umrüsten.  Unten ist eine 1,2-m Parabolantenne mit einem 1,3-GHz Hornstrahler als Erreger für das 23-cm Amateurfunkband abgebildet. Der Parabol stammt aus einer ausgedienten 9-GHz Richtfunkanlage und ist entsprechend präzise gefertigt. Im WLAN-Bereich wäre diese Antenne in der Lage, einen Gewinn von ca. 23dBD (25dBi) zu liefern, wodurch sich im Freifeld eine mehr als 10-fach größere Reichweite erzielen ließe. Nebenbei bemerkt hat sich in den USA vor einiger Zeit eine Szene etabliert, die mit handelsüblichen WLAN-Modems, oder wie es in den USA genannt wird Wi-Fi (Wireless Fidelity) Equipment, mit Hilfe riesiger Parabolantennen unglaubliche Streckenrekorde über hunderte von Kilometern aufstellt.

Der Antennengewinn eines Parabolspiegels hängt hauptsächlich von seinem Durchmesser "D" im Verhältnis zur eingesetzten Wellenlänge "l", bzw. Frequenz "f" ab. Er lässt sich nach der Gleichung G = 20 log (7 D f) abschätzen, wobei man [D] = m sowie [f] = GHz einsetzt und [G] = dBi erhält. Jedoch spielt auch der zur Erregung verwendete Strahler eine große Rolle, der den Parabol möglichst optimal "ausleuchten" sollte. Einen lesenswerten Artikel mit sehr anschaulichen Illustrationen über die Funktionsweise des Parabolspiegels, einschließlich einer Erörterung über "Ausleuchtung" und "Überstrahlung" hat Paul Wade, W1GHZ (ex. N1BWT), verfasst (Parabolic Dish Antennas, 300k-pdf).

Den Namen hat der Parabolspiegel von seiner Wölbungsform erhalten. Sie entspricht einer rotierenden Parabel - auch Rotationsparaboloid genannt. Die Eigenheit einer Parabel ist, dass sie alle parallel einfallende Strahlen in einer Weise reflektiert, dass sie sich  in einem Fokuspunkt "F" bündeln. Dieser in der Optik auch Brennpunkt genannte Ort beschreibt die Position für den Erreger. Hier kann eine geeignete Antenne, wie z.B. ein Hohlleiterstrahler oder eine Ringantenne angebracht werden. Der Fokuspunkt lässt sich, wenn der Durchmesser "D" und die Tiefe der Wölbung "h" bekannt sind, mit folgender Gleichung berechnen: F = D² / (16 h). Der oben abgebildete Spiegel hat einen Durchmesser von D = 120cm und eine Tiefe von h = 20cm. Daraus ergibt sich die Lage des Fokuspunktes bei F = 45cm, gemessen vom Boden des Spiegels.

Eine weitere Größe zur Beschreibung des Parabolspiegels ist das F/D-Verhältnis. Es beschreibt die Lage des Fokuspunktes bezogen auf den Durchmesser. Der oben beschriebene Spiegel weist ein F/D-Verhältnis von 45cm/120cm = 0,375 auf. Den aktiven Strahler sollte man so auswählen, dass er erstens den gesamten Rand möglichst gleichmäßig anstrahlt und zweitens die Intensität der Strahlung zum Rand hin um 10dB abgenommen hat, wie die Skizze oben rechts verdeutlichen soll. Mit anderen Worten, der 10-dB Öffnungswinkel soll auf die Apertur fallen. Den benötigten Öffnungswinkel kann man aus folgender Gleichung berechnen: f = 2 arctan[0,5 D / (F - h)]. Um den Beispiel-Spiegel optimal auszuleuchten wäre eine Antenne mit einem Öffnungswinkel von  f = 134° bzw. +/- 67° erforderlich. Die oben beschriebene Ring-Antenne wäre ein geeigneter Kandidat.

Simulation - Simulation
Die Berechnungen der Strahlungsdiagramme erfolgte mit dem Freeware-Tool MMANA in Version 1.77 von Makoto Mori,JE3HHT, Alex Schewelew DL1PBD und Igor Gontcharenko, DL2KQ. This Page has changed to -> MMANA-GAL

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Links

Finnische Seite; viele Testberichte  ->  http://www.saunalahti.fi/elepal/antennit.html
BiQuad Antenne ->  http://www.seattlewireless.net/index.cgi/DirectionalBiQuad
BiQuad Antenne auf CD-Spindel -> http://www.vallstedt-networks.de/?Fotogalerien/Quad
Helix-Antenne Einfluß PVC-Rohr -> http://www.qsl.net/pa0hoo/helix_wifi/index_eng.htm
Helix-Aerial -> http://www.wireless.org.au/~jhecker/helix
Helical-Antenna -> http://helix.remco.tk
verschiedene Antennentypen  ->  http://www.geocities.com/lincomatic/homebrewant.html
Collinear Array made of Coax -> http://www.nodomainname.co.uk/Omnicolinear/2-4collinear.htm
Dosen-/ Hohlleiterstrahler mit Rechen-Applet  ->  http://www.seattlewireless.net/index.cgi/DirectionalWaveguide
Hohlleiterstrahler Pfirsichdose  ->  http://sbarth.dyndns.org/seiten/rahmen.php?nav=tincanantenna
C-Antenna  ->  http://www.netscum.com/~clapp/wireless.html
Pringles-Can  ->  http://www.oreillynet.com/cs/weblog/view/wlg/448
Sat-Parabol-Antenne  ->  http://www.seattlewireless.net/index.cgi/DirectionalParabolic
Parabol-Spiegel Funktionsbeschreibung (pdf) -> http://www.qsl.net/n1bwt/chap4.pdf
Yagi-Antenne  ->  http://www.seattlewireless.net/index.cgi/DirectionalYagi
Studenten-Antennen -> http://www.emclab.umr.edu/courses/ee373/W97proj.html
Korean University Kwangong -> http://radiowave.kw.ac.kr/bk21/saup1.htm

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