WLAN-Antennen

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Antennen bringen einen Sende- wie Empfangs-Gewinn, indem sie elektromagnetische Wellen bündeln. Mit WLAN-Antennen verschiedener Bauform kann man daher die Reichweite und Richtung von WLAN-Geräten beeinflussen und mit passend ausgewählten und positionierten Antennen die Fläche des Freifunknetzes verbessern: Die Antennen handelsüblicher WLAN-Endgeräte (wie WLAN-Router, Laptops etc.) lassen 30 bis 100 Meter Reichweite auf freier Fläche erwarten, Outdoor-Geräte oder eben bessere Antennen schaffen aber auch teilweise über 10km, erreichen also alles in Sichtweite. Mit neuester Technik lassen sich sogar 80 Meter in geschlossenen Räumen erreichen.

Bessere WLAN-Hardware sollte den Anschluss einer externen Antenne erlauben. Mit externen Rundstrahlantennen lassen sich bei Sichtkontakt 100 bis 300 Meter im Freien überbrücken.

Inhaltsverzeichnis

Rechtliche Bestimmungen

Die Frequenznutzung der Funkbänder wird in Deutschland von der Bundesnetzagentur festgelegt. Zum Thema WLAN gibt es zwei Verfügungen, die den zulässigen Nutzungsrahmen beschreiben:

Die wichtigsten Punkte daraus nennt auch eine Publikation und das Dokument Short Term Frequency Assignment important general assignments der Bundesnetzagentur.

Dort heißt es:

WLANs arbeiten in den Frequenzbereichen 2,400 GHz - 2,4835 GHz, 5,150 GHz - 5,350 GHz und 5,470 GHz - 5,725 GHz. 
Die Bundesnetzagentur hat diese Frequenzen für die Benutzung durch die Allgemeinheit zugeteilt.

Mit WLAN-Funkverbindungen dürfen verschiedene Grundstücke ohne Meldepflicht miteinander verbunden werden.

Es ist keine bestimmte Reichweite vorgeschrieben. 
Diese wird ausschließlich durch die maximale Strahlungsleistung der Funkanlage und die Umgebungsverhältnisse wie 
Bebauung, Bewaldung, Geländeform usw. bestimmt.

Im Frequenzbereich 2,400 GHz - 2,4835 GHz darf die maximale Strahlungsleistung 100 mW (EIRP) nicht übersteigen.
Im Frequenzbereich 5,150 GHz - 5,350 GHz sind maximal 200 mW (EIRP) zulässig, während im Bereich 5,470 GHz - 5,725 GHz maximal 
1 W (EIRP) abgestrahlt werden darf.

Für WLAN-Funkanwendungen sind keine bestimmten Antennen vorgeschrieben.
Die maximale Strahlungsleistung darf nicht überschritten und die Konformitätserklärung des Herstellers der Funkanlage 
durch Veränderungen an der Antenne nicht verletzt werden.
Mit der Konformitätserklärung bescheinigt der Hersteller die Übereinstimmung der technischen Eigenschaften der Funkanlage mit den 
Anforderungen eines technischen Standards.
Wenn Veränderungen gleich welcher Art an der Anlage geplant sind, sollte vorher unbedingt ein Fachhändler oder der Hersteller
zu Rate gezogen werden.

Die Angaben der Sendeleistung in mW (EIRP) lassen sich z.B. mit dem Radiated Power Calculator in dBm umrechnen (was häufig die verwendete Maßeinheit in der Treibersoftware/Firmware ist) und man erhält als maximale Sendeleistung

  • 20dBm für 2.4GHz
  • 23dBm für 5.150GHz bis 5,350GHz (nur Indoor-Nutzung erlaubt - nur mit aTPC - sonst max. 20 dBm - DFS muss aktiviert sein)
  • 30dBm für 5.470GHz bis 5.725GHz (nur mit aTPC - sonst max. 27 dBm - DFS muss aktiviert sein)

Physikalische und technische Daten

Berechnet wird die Sendeleistung (in dBm) eines WLAN-Gerätes aus:
+ Sendeleistung (dBm)
+ Gewinn Verstärker (dB) (falls vorhanden)
- Dämpfung Kabel (dB)
- Dämpfung Stecker (dB)
- Dämpfung Blitzschutz (dB)
+ Gewinn Antenne (dBi)
─────────────────────────────────────
= Gesamtsendeleistung

Berechnet wird hier lediglich der Sendeweg. Für den Empfangsweg wurden von Seiten des Gesetzgebers keine Beschränkungen erlassen.

Auf heise.de gibt es noch einen Antennenrechner und beim Freifunk-Augsburg kann man sich die zu erwartende Signalqualität zwischen zwei WLAN-Stationen annäherungsweise berechnen lassen.

Einige WLAN-Geräte beherrschen auch Antenna Diversity-Modes, bei denen die durch Interferenzen verursachten Fehler verringert werden, indem zwei Antennen gleichzeitig zum Empfang bzw. abwechselnd zum Senden verwendet werden. Die zwei Antennenanschlüsse können auch streng getrennt zum Senden und Empfangen genutzt werden. Das hat den Vorteil, zum Empfangen eine Antenne verwenden zu können, die die zulässige Sendeleistung überschreiten würde.

Zur Verbindung eines WLAN-Gerätes mit einer zugehörigen Antenne werden spezielle koaxiale Steckverbinder für Hochfrequenzanwendungen verwendet. Bei WLAN sind dies hauptsächlich die sonst selten verwendeten Steckverbinder RP-TNC und RP-SMA.

Dämpfung im 2.4GHz Band

Die IEEE 802.11b/g Standards verwenden regional unterschiedlich bis zu 14 Kanäle (in den USA 11, in Deutschland 13, in Japan 14) im ISM 2.4GHz Spektrum, das in 5MHz-Schritte unterteilt wird (Kanal 1 beginnt bei 2.412GHz und Kanal 11 liegt demnach bei 2.462GHz) bei einer Wellenlänge von 12,5cm.

Signale in diesem Band sind leicht zu stören (Understanding and mitigating the impact of RF interference on 802.11 networks), weshalb unter anderem gute Antennen sehr wichtig sind:

  • Durch die Wellenlänge und die gewählte Schrittweite gibt es nur vier orthogonale Kanäle (1, 5, 9, 13), die keine Überlappung (d.h. Störung) mit ihren Nachbarkanälen besitzen.
  • In dem Band gibt es noch andere Technologien: Funktelefone, Bluetooth, Zigbee (IEEE 802.15.4) embedded devices, RFID tags und mehr, die sich auch dann noch stören können, obwohl sie koexistieren sollen (wie 802.11 und Bluetooth).
  • (Alte, kommerzielle) Mikrowellengeräte stören ebenfalls erheblich dieses Band (Microwave oven interference on wireless LANs operating in the 2.4 GHz ISM band)
  • Leichtbauwände mindern die Reichweite durch Dämpfung der Signale, sind aber einzeln kein Hindernis; dagegen werden Stahl und Beton nicht durchdrungen, können im Außenbereich aber experimentell als Reflektorwand dienen, um Funklöcher "auszuspiegeln". Bäume, insbesondere dicht belaubte, sind ebenfalls Hindernisse für WLAN-Verbindungen.
  • Die Fresnel Zone ist hier wesentlich größer als im 5 GHz Bereich. Gegenstände wie z.B. Bäume werden allerdings durch 2,4 GHz Frequenzsignale besser durchdrungen als Signale mit 5 GHz.

Das 5GHz Band

WLAN nach 802.11a/n arbeitet im 5GHz-Band, in dem ein größerer Frequenzbereich als im 2,4 GHz Bereich zur Verfügung steht. Viele Nachteile wie die Mikrowellenstörung bei 2.4GHz fallen hier weg, dafür liegt das Band in der Nähe von Satellitenverbindungen und Radargeräten, die nicht gestört werden dürfen, weshalb man bei einer je nach Frequenz unterschiedlichen Sendeleistung von bis zu 30dBm die Abstrahlminderungstechnik "Transmit Power Control" (TPC) und das "Dynamic Frequency Selection" (DFS) verwenden muss (ETSI EN 301 893). DFS ist in ganz Europa besonders wichtig, da sonst Wetterradare, welche die gleichen Frequenzbereiche nutzen, gestört werden. Wenn die Gerätesoftware kein automatisches TPC beherrscht, gelten jeweils 3 dBm niedrigere maximale Sendeleistungen. Diese Techniken sind in der Europäischen Norm ETSI EN 301 893 (aktuell Version 1.7.0) beschrieben und gelten für ganz Europa.

Insgesamt sollte wenn möglich immer das 5 GHz-Band benutzt werden, da dieses wesentlich weniger benutzt wird als das 2,4 GHz Frequenzband und somit stabilere Funkverbindungen, auch über weite Strecken, möglich sind.

Antennentypen und Antennenbau

Mit speziellen Richtfunkantennen lassen sich bei Sichtkontakt mehrere Kilometer überbrücken. Hierbei werden teilweise Rekorde mit Verbindungen über mehrere hundert Kilometer aufgestellt, bei denen abgesehen von den Antennen keine anderen aktiven Verstärker eingesetzt werden. Allerdings funktioniert das nur zwischen hohen Bergen; auf dem Meer endet nach etwa 30 km durch die Erdkrümmung der Sichtkontakt.

Deutschsprachige Anleitungen und Listen:

Englischsprachige Anleitungen:

Französischsprachige Anleitungen:

Keine WLAN-Antenne, aber nützlich zur drahtlosen Kommunikation von Routern über weite Strecken:

  • RONJA, eine optische through-the-air-Richtstrecke im freien und unregulierten Gigahertz-Band (rotes Licht) zum Selberbauen. 10 Mbit/s netto, Anschluss über 10BaseT-FD und AUI.

Siehe auch