Wie funktionieren WLAN-Antennen und wofür sind diese gut?

Wie funktionieren WLAN-Antennen und wofür sind diese gut?

In der digitalen Welt ist sowohl im privaten als auch im betrieblichen Umfeld die Nutzung des Internets ein wichtiger Aspekt. Jeder Rechner, jedes Smartphone und jeder Drucker soll die Möglichkeit der Kommunikation untereinander bekommen, am besten flexibel per Wireless LAN (WLAN).

Die Anbindung zusätzlicher Geräte kann zu unterschiedlichen Problemen, wie zum Beispiel dass das WLAN-Signal hierfür nicht stark genug ist, führen.

Was kann getan werden, um das WLAN Signal zu verstärken? Welche umliegenden Faktoren müssen dabei genau beachtet werden?

1 Wie funktioniert eine Antenne?

Horizontale Abstrahlung einer Stabantenne
Abb. 1: Antenne mit Abstrahlung

Weshalb sind unterschiedliche Funksysteme mit unterschiedlich aufgebauten und langen Antennen ausgestattet? Und was macht es eigentlich für einen Unterschied, ob bei einem WLAN-Router eine oder mehrere Antennen anschließbar sind? Warum ist diese Erweiterung notwendig oder ist dies eventuell nur eine Frage des besseren Designs? Im folgenden Kapitel wird das Thema „Antennentechnik“ näher erläutert.

1.1 Warum sind Antennen unterschiedlich lang?

Bei drahtlosen Kommunikationssystemen kommen sowohl für den Sender als auch für den Empfänger Antennen zum Einsatz. Diese sind je nach System unterschiedlich lang. Eine WLAN Antenne ist zum Beispiel kürzer als die Antenne eines Standradios. Aber warum ist dies der Fall? Weshalb nutzen die Kommunikationssysteme nicht die gleiche Antenne? Der Grund dafür ist die Zuordnung von unterschiedlichen Frequenzen an unterschiedliche Dienste und Systeme. WLAN kommuniziert unter anderem im Frequenzbereich von 2,4 GHz oder 5 GHz. Ein FM-Radio im Frequenzbereich von 87,6 MHz – 108 MHz. Anhand der Frequenz lässt sich die Wellenlänge berechnen, die entscheidend für die Antennenlänge ist. Die Wellenlänge kann über folgende Formel berechnet werden:

𝛌=c/f

𝛌 entspricht der Wellenlänge, c der Lichtgeschwindigkeit und f der Frequenz.

DienstFrequenzWellenlänge
Radio95 MHz3,15 m
WLAN2400 MHz0,125 m

Tabelle 1: Frequenz und Wellenlänge gerundet

Die Tabelle 1 zeigt, dass bei steigender Frequenz die Wellenlänge sinkt. Um ein gutes Verhältnis zwischen Abstrahlung und Reflektion zu schaffen, wird bei der Antennenlänge oft auf sog. 𝛌/4- Strahler zurückgegriffen.

DienstFrequenzWellenlängeAntennenlänge
Radio95 MHz3,15 m≈ 0,78 m
WLAN2400 MHz0,125 m≈ 0,031 m

Tabelle 2: Antennenlänge

Die Antennenlänge für WLAN mit 2,4 GHz entspricht also in etwa 3,1 cm. Bei einem Radio mit 95 MHz ist diese 78 cm lang bei Ausführung nach 𝛌/4. Das ist der Grund, warum WLAN Antennen kürzer als Radioantennen sind.

1.2 Wie strahlt eine WLAN-Antenne ab?

Die Form einer Antenne beeinflusst die Abstrahlcharakteristik. Die einfachste Antennenform ist der Rundstrahler bzw. die Stabantenne. Bei Antennen unterscheidet man zwischen der horizontalen Abstrahlung und der vertikalen Abstrahlung. Die Abstrahlung von Antennen wird schematisch in Diagrammen dargestellt.

Horizontale Abstrahlung einer Stabantenne
Abb. 2: Horizontale Abstrahlung einer Stabantenne

Bei der horizontalen Abstrahlung wird von oben auf die Antenne geblickt, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Bei einer Stabantenne breiten sich die elektromagnetischen Wellen kreisförmig um den Mittelpunkt der Antenne aus.

Vertikale Abstrahlung einer Stabantenne
Abb. 3: Vertikale Abstrahlung einer Stabantenne

Bei der vertikalen Ausrichtung wird die Antenne von der Seite betrachtet. Bei einer Stabantenne treten die Feldlinien auf einer Seite der Antenne aus und am anderen Ende der Antenne wieder ein, wie in Abbildung 3. Die Position des Aus- und wieder Eintritts hängt von der Polarität der Antenne ab.

Warum haben WLAN-Antennen unterschiedliche Formen?

Antennen werden in unterschiedlichen Formen hergestellt, um die Abstrahlcharakteristik gezielt zu beeinflussen. Die Antenne wird so konzipiert, dass Feldlinien mit guter Richtwirkung abgestrahlt werden. Zusätzlich werden nicht benötigte Bereiche nicht oder nur sehr geringfügig bestrahlt. Durch die Richtwirkung ist die Verstärkung der Abstrahlung höher, dementsprechend die Reichweite in diese Richtung ebenfalls. Im häuslichen Gebrauch kommen in den meisten Fällen einfache Rundstrahler zum Einsatz. Das Gehäuse der Antennen wird dabei gerne vom Hersteller etwas moderner gestaltet, der Inhalt bleibt jedoch ein Rundstrahler.

In Unternehmen mit großen Büros oder Hallen kann die Wahl einer anderen Antennenform große Vorteile mit sich bringen.

Vertikale (links) und horizontale (rechts) Abstrahlung einer Wandantenne
Abb. 4: Vertikale (links) und horizontale (rechts) Abstrahlung einer Wandantenne

In Abbildung 4 ist das Antennendiagramm einer Wandantenne zu sehen. Diese Antenne hat deutliche Richtfunkeigenschaften und strahlt bei richtiger Montage zum Beispiel in Richtung der Büros oder zur Halle. Die zur Wand montierte Seite, im Schaubild links, ist stark gedämpft.

2 Wie kann die WLAN-Reichweite verbessert werden?

Grundlegend wurde inzwischen erklärt, wie eine Antenne funktioniert. Im folgenden Kapitel wird auf die Ausrichtung von Antennen eingegangen und weshalb Geräte oft mit mehr als nur einer Antenne ausgestattet sind.

2.1 Wie wird der WLAN-Router am besten positioniert?

Die Position des Routers und der angeschlossenen Antennen spielt eine wichtige Rolle für die Abdeckung der Signalstärke in verschiedenen Räumen. Die Beachtung der Abstrahlcharakteristik der Antennen ist entscheidend. Bevor der Router installiert wird, sollten Bereiche definiert werden, an denen der WLAN-Empfang gut sein soll und wichtig ist. Die Positionierung sollte dann so erfolgen, dass die definierten Bereiche bestmöglich ausgeleuchtet sind.

Ausrichtung einer WLAN-Antenne
Abb. 5: Ausrichtung einer WLAN-Antenne

Bei einem Router mit nur einer Antenne muss entschieden werden, ob eher die gleiche Etage versorgt werden soll oder die Räumlichkeiten direkt unter/über dem Router. Um diese Einschränkung zu umgehen, empfiehlt sich die Verwendung eines Gerätes mit mehr als einer ausrichtbaren Antenne. Somit lässt sich der Versorgungsbereich erweitern.


Abb. 6: Ausrichtung einer WLAN-Antenne bei 3 Antennen

Die Nutzung von drei Antennen schafft eine gute Basis. Bei drei Antennen können diese so ausgerichtet werden, dass jede Antenne eine Achse (x, y, z) anspricht und die Versorgung auf allen Ebenen ähnlich ist. Zur Nutzung dieses Synergieeffekts sollte der Router möglichst mittig im Haus oder Gebäude platziert sein, um das resultierende Feld gleichmäßig an die umliegenden Räume abzustrahlen.

2.2 Wie funktioniert ein WLAN-Repeater?

Je nach Größe des Hauses, Gebäudes, Büros oder der Halle könnte die Verwendung eines einzelnen Routers als WLAN-Quelle nicht ausreichend für die benötigte WLAN-Abdeckung sein. Das WLAN-Netz in der Nähe der Quelle ist prinzipiell gut, wird mit steigendem Abstand aber schwächer. Abhilfe könnte die Verwendung eines sogenannten Repeaters bringen, also einem Signalverstärker. WLAN-Repeater gibt es in verschiedenen Formen und mit verschiedenen Anschlussmöglichkeiten.

WLAN-Repeater können zum Beispiel über ein Netzwerkkabel, ein bestehendes WLAN oder über Power over Line eingebunden werden. Power over Line, oder auch Powerline genannt, bezeichnet dabei die Nutzung des bestehenden Stromnetzes, also der Elektroleitungen, zur Vernetzung der Endgeräte.

2.3 Welche Störeinflüsse können das WLAN-Signal beeinflussen?

Bei WLAN (Wireless Local Area Network) handelt es sich um eine drahtlose Kommunikationsstrecke. Bei einem Netzwerkkabel könnte eine zu starke Quetschung des Kabels den Widerstand erhöhen und dementsprechend die mögliche Leistung reduzieren. Bei einem Funksignal gibt es in diesem Sinne zwar keine Quetschungen, aber natürlich andere Widerstände, die ebenfalls die Leistung reduzieren können. Einer der bekanntesten Störeinflüsse in diesem Bereich sind schlicht Wände. Nahezu jede Wand dämpft Funksignale und schwächt diese ab. Vereinfacht ausgedrückt kann gesagt werden, je mehr Wände zwischen Sender und Empfänger liegen, desto schwächer ist das ankommende Signal. Die jeweilige Dämpfung der Wände hängt von diversen Faktoren ab, wie zum Beispiel die Stärke und das verwendete Material. Wände und die Architektur eines Gebäudes sind bei der Planung von Wireless-Netzen entscheidende Faktoren und beeinflussen den Einsatz der Repeater maßgeblich.

3 Wie wird der WLAN-Empfang gemessen?

Der WLAN-Empfang hängt von diversen Faktoren ab. Je nach Anwendungsbereich ist eine Abdeckung des WLAN-Empfangs zum Beispiel gewünscht oder industriell zwingend erforderlich. Grundlage bietet die Bestandsaufnahme durch die schlichte Messung des WLAN-Signals. Je nach Vorgabe sind verschiedene Parameter dieses Signals von Bedeutung. Einer der einfachsten Parameter ist die Messung der Signalstärke. Etwas detaillierter wird es dann bei einer SNR „Signal to Noise Ratio“ Messung. Dieses Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschsignal, oder auch Signal-Rauschabstand genannt, dient als Maß für die Beurteilung der Qualität einer Signalübertragung. Die ausgewählte Messung sollte immer an den jeweiligen Bedarf angepasst und somit stets vom Fachmann durchgeführt und mit geeigneter Messtechnik ermittelt werden.

3.1 Wie funktioniert eine WLAN-Heatmap?

Die WLAN-Empfangsstärke nimmt mit Abstand zur WLAN-Quelle ab. Die Betrachtung im Außenbereich ohne Störeinflüsse lässt sich relativ gut berechnen und abschätzen. Bei gebäudeinternen Versorgungen kommen aber diverse Störeinflüsse wie Wände oder Etagen dazu. Die Reichweite wird durch diese Störeinflüsse also gedämpft und genau diese Dämpfung ist zusätzlich abhängig von Material und Stärke der Wände, wie bereits in Abschnitt 2.3 beschrieben. Eine Berechnung ist in diesem Fall zwar grundlegend möglich, aber leider nur so gut wie die Definition der Parameter der Wände. Dies erhöht die Schwierigkeit enorm. Eine einfachere Lösung wäre die direkte Messung des Signals an verschiedenen Positionen im gesamten Gebäude, der Wohnung etc. Auf Grundlage dieser Messwerte ist die Erstellung einer sogenannten Heatmap möglich. Diese Heatmap zeigt die Empfangsqualität innerhalb einer Farbskala an. Gut oder schlecht versorgte Bereiche werden direkt sichtbar gemacht. Bei der Betrachtung einer Heatmap liegt also das Augenmerk auf den angezeigten Farben der Bereiche. Das Spektrum reicht hier von dunkelgrün für eine sehr gute Signalstärke bis zu rot für eine schlechte Versorgung mit Funksignalen.

Beispielhafte WLAN-Heatmap
Abb. 8: Beispielhafte WLAN-Heatmap

3.2 Wieso ist die Übertragungsgeschwindigkeit gering?

Die Übertragungsgeschwindigkeit bei einer Funkanwendung, wie WLAN, kann durch verschiedenste Faktoren beeinflusst werden. Ein schneller, einfacher und erster Schritt bietet die Messung der Signalstärke. Bei geringer Signalstärke des empfangenen Signals verringert sich auch die Übertragungsgeschwindigkeit.

Eine Störung des Signales durch elektrische Gegenstände im Haushalt ist ebenfalls möglich. Mikrowellen arbeiten, wie WLAN, ebenfalls im Frequenzbereich von 2,4 GHz und können so einzelne der 13 zur Verfügung stehenden WLAN-Kanäle stören oder beeinflussen, während diese in Betrieb sind. Es empfiehlt sich dadurch die Betrachtung der Kanäle und darüber hinaus ein eventueller Wechsel des Kanals für das eigene WLAN, was Abhilfe schaffen könnte.

Auch der Blick auf die generelle Aufteilung der Kanäle ist zu empfehlen, denn zumeist befindet sich nicht nur das eigene WLAN in Reichweite, sondern auch fremde Wireless-Netze aus zum Beispiel anderen Wohneinheiten, Etagen oder gar benachbarten Gebäuden.

Bei der Wahl des WLAN-Kanals sollte vom Fachmann berücksichtigt werden, dass zu nahe beieinander liegende Netze sich ebenfalls beeinflussen und die jeweilige Übertragungsgeschwindigkeit reduzieren können. Es empfiehlt sich somit für das eigene WLAN einen Kanal mit genügend Abstand zu vorhandenen anderen WLAN-Netzen zu wählen. Der Abstand sollte dabei 4-5 Kanäle betragen, damit es nicht zu Überschneidungen kommt.

Sollte eine einfache Betrachtung keine Ursache für eine schwache Übertragungsgeschwindigkeit liefern, so muss eine tiefergehende Analyse durchgeführt werden. Eine Messmöglichkeit bietet zum Beispiel die Verwendung der Geräte KE3700/KE3550 MultiTest von Kurth Electronic. Mit den WLAN-Optionen der beiden Geräte können folgende Parameter auf einen Blick angesehen werden:

  • Geschwindigkeit
  • Signalstärke
  • Signalqualität
  • Datenrate RX
  • Datenrate TX
  • Pakete RX
  • Pakete TX
  • Pakete verworfen RX
  • Pakete verworfen TX
  • Traffic RX
  • Traffic TX

Hier werden messbare WLAN-Parameter aufgeführt. Zusätzlich zur Signalstärke und Geschwindigkeit, werden tiefergehende Analysen ermöglicht. Die Analyse wird in 2 Richtungen durchgeführt. RX entspricht hierbei dem Empfänger „Receiver“ und TX einem Sender „Transmitter“. Die Betrachtung beider Richtungen zeigt bei Störungen auch die Richtung des Ursprungs an. Der Wert der verworfenen Pakete ist ein wichtiger Indikator. Die beste Signalstärke ist nutzlos, wenn bei der Übertragung Pakete verloren gehen (Paketverlust) und die Daten somit lückenhaft sind. Dieses Problem kann zum Beispiel auch bei der Übertragung der IP-Telefonie (VoIP) oder dem Fernsehen via IP (IPTV) entstehen. Paketverluste wären direkt hör- und/oder sichtbar und würden vom Anwender nicht akzeptiert werden.

WLAN-Funktionsprüfung mit dem KE3700 xDSL MultiTest
Abb. 9: WLAN-Funktionsprüfung mit dem KE3700 xDSL MultiTest

Zusammenfassung

In diesem Blogpost wurde beschrieben, wie Antennen grundlegend funktionieren und warum diese unterschiedlich lang sind. Die Positionierung des WLAN-Routers, des Repeaters oder der Antenne spielen also eine wichtige Rolle bei der empfangenen Signalstärke. Die Ausrichtung der Antenne zur bestmöglichen Ausnutzung der Abstrahlcharakteristik stellt ebenfalls einen entscheidenden Faktor dar. Gewerbliche WLAN-Netze sollten grundsätzlich nur von einem Fachmann geplant und geprüft werden, denn es gibt vieles zu beachten. Zur Anzeige qualitätsrelevanter Parameter und zur Fehlersuche ist eine geeignete Messtechnik unabdingbar.

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