DualBeam … die HM-Antenne für besonders schwierige Funkbedingungen

Hinweis: Es gibt mittlerweile eine verbesserte DualBeam2-Antenne

Warum die Antenne so wichtig ist !

Man kann nicht oft genug wiederholen, daß bei Funksystemen die Antenne die wichtigste Komponente ist. Leider wird gerade diesem Teil von Entwicklern manchmal wenig Beachtung geschenkt. Das führt dann zu suboptimalen Lösungen, die aber auch entsprechendes Verbesserungspotential haben. Die CCU1,die CCU2 und alle käuflichen HM-Komponenten haben eine eingebaute Antenne, die nur aus einem oft in das Gehäuse eingeklemmten Stückchen Lambda-Viertel-Draht besteht. Wenn man gute Funkbedingungen im Haus hat, dann reicht diese Lösung. Aber oft hat man eben nicht gute Funkbedingungen und die Betondecken zum Keller und zum Obergeschoss schirmen die Funkwellen gewaltig ab. Dann entstehen die vom Homematiker so geliebten „Fehlermeldungen“, welche oftmals ein unstabiles Verhalten der CCU zur Folge haben. Für eine zuverlässige Hausautomation ist eine störsichere Funkkommunikation deshalb unverzichtbar.

Zu diesem Thema habe ich bereits einige Artikel im Homematic-Forum und hier auf meiner Webseite veröffentlicht. Dabei wird gezeigt, daß mit einer externen Antenne die Stabilität des heimischen Funknetzes deutlich verbessert werden kann. Hier für den Interessierten noch weitere Informationen dazu:

Externe Antenne für Raspberrymatic und hier: Externe Stabantenne für CCU und andere HM-Komponenten und hier Externe Flachantenne und hier: Groundplane-Antenne für Homematic

Zum Thema Mehrfach-Antennen gibt’s hier noch Informationen: 2 Antennen gleichzeitig an der CCU

Mittlerweile sind viele meiner externen Antennen im Einsatz mit durchweg sehr positiver Rückmeldung im Hinblick auf weniger Fehlermeldungen. Dabei ist immer zu beachten, daß die normalerweise bei Antennen angegebenen sog. Antennengewinne für die Anwendung im Haus eine nur untergeordnete Bedeutung haben. Im Haus breiten sich die Funkwellen mehr oder weniger chaotisch aus, weil Wände, Möbel und Betondecken den „Konzertsaal“ für die Funkwellen unkalkulierbar bestimmen. Eines ist aber in jedem Fall wichtig, daß die Antenne möglichst flexibel räumlich platzierbar sein sollte, um den optimalen Sendeplatz üblicherweise nach dem try&error -Verfahren zu ermitteln.

Warum eine zweite Antenne ?

Für die meisten Anwender reichen die in meinem Webshop verfügbaren Stab- und Flachantennen völlig aus, um die Hausautomation stabil zu bekommen. Aber unter sehr schwierigen Ausbreitungsbedingungen kann es immer noch Empfangsprobleme geben. Ursache sind meist dicke stahlbewehrte Betondecken, die eine Ausbreitung der Funkwellen über mehrere Stockwerke stark dämpfen. Repeater können zwar eine Lösung sein, jedoch verbrauchen sie dauernd Strom, kosten Geld und müssen entsprechend administriert werden. Eine zweite Antenne kann hier eine gute und einfache Lösung sein, weil man u.U. die beiden Antennen räumlich getrennt in zwei verschiedenen Stockwerken platzieren kann. Die zwischenliegende Betondecke ist dann nicht mehr das Problem.

Dazu müssen aber die zwei Antennen in geeigneter Weise an die CCU gekoppelt werden. Eine einfache Parallelschaltung funktioniert nicht, weil die Parallelschaltung von zwei 50 Ohm Antennen einen Wellenwiderstand von 25 Ohm ergibt und das würde an dem 50 Ohm Antennenausgang der CCU zu einer erheblichen Fehlanpassung und damit Leistungseinbuße führen. Der Lösungsansatz ist einfach und sehr kostengünstig. Mit einem Stück 75 Ohm-Sat-Kabel kann man leicht einen sog. Viertelwellen-Transformator aufbauen, der den Wellenwiderstand der parallel geschalteten zwei Antennen (25 Ohm) auf wieder 50 Ohm hochtransformiert. Das folgende Bild zeigt die Schaltung dazu:

Damit die zwei Sat-Kabel-Leitungsstücke für die praktische Realisierung nicht zu kurz sind, wurde statt 1/4 Lambda eine Länge von 3/4 Lambda gewählt. Damit ergibt sich je nach verwendetem Koaxkabel eine bestimmte Länge (siehe Kasten im Bild oben), die für den Aufbau einfacher und praktikabel ist. Die beiden Antennen können nun an exponierter Stelle in jeder Hausetage positioniert werden, so daß auf diese Weise auch sehr schwierige Ausbreitungsbedingungen eigentlich kein Problem mehr sein dürften.

Messergebnisse

Natürlich entsteht immer die Hauptfrage: Was bringt eigentlich die neue Antenne gegenüber der eingebauten Antenne bzw. den bisher hier gezeigten Antenn wie der Stabantenne und der Flachantenne? Allgemein kann man die Frage nur in einem idealen Versuchsumfeld (Freifeld) messen und beantworten. Aber „ideal“ nützt dem Einzelnen gar nichts , weil man die Frage nur in bezug auf sein individuelles HM-Umfeld beantworten kann. Deshalb sollte man vor dem Umbau die Sende- Empfangs-Feldstärken der einzelnen HM-Module messen und dann nach dem Umbau die Messung zum Vergleich wiederholen. Als Meßwerkzeug kann man dafür auf der CCU die Systemerweiterung „devconfig“ installieren. Damit kann man die Sende- und Empfangsfeldstärken der einzelnen Funkmodule abfragen. Mehr dazu im Homematic-Forum: Stichworte rssi und devconfig.http://homematic-forum.de/forum/viewtopic.php?f=31&t=26624&p=233643&hilit=rssi+devconfig#p233643

Wichtig ist bei der Messung mit „devconfig“ , daß man vorher die entsprechenden HM-Module betätigt oder abgefragt hat, damit die ermittelten Werte auch mit der neuen Antenne gemessen wurden. Und auch wichtig, daß möglichst der Mittelwert von mehreren HM-Modulen vorher und nachher verglichen wird. Einzelne Messungen bringen wenig, weil die Signale im Haus stark streuen.

Im Vergleich zur eingebauten Antenne (lambda/4 Draht ) ist mit der Stabantenne im Mittel über 3dB Gewinn erzielt worden. Die Flachantenne (nicht in diesem Vergleich ) ist etwa vergleichbar. Mit dem Dualbeam ist noch ein weiterer deutlicher Gewinn zu erzielen, aber dafür ist der Aufwand auch größer. Schließlich muß man selbst abschätzen, welche Antenne für den Eigenbedarf die richtige ist .

Nachbau der DualBeam-Antenne

Um den Nachbau einfach zu machen wurde im Webshop ein Bausatz mit einer ausführlichen Bauanleitung zusammengestellt. Damit sollte es auch dem weniger erfahrenen Löter möglich sein, dieses Antennensystem nachzubauen.

Dazu einige bildliche Impressionen: Hier ist der Bausatz. Optional können noch ein oder zwei 3m-Anschlusskabel für die räumlich getrennte Platzierung der Stabantennen bestellt werden.

Im mitgelieferten Kleinverteiler-Gehäuse haben für die Kabel des Powersplitters ausreichend Platz:

Am Gehause kann man entweder direkt zwei Stabantennen anschrauben oder wahlweise eine Stabantenne mit einem oder zwei optionalen 3m-Verbindungskabel räumlich getrennt platzieren

Haftungs- und Sicherheitshinweise

Nur HM-Module mit Spannungsversorgung aus Batterie oder galvanisch getrennten externen Netzteilen umrüsten. Keinesfalls HM-Module mit internem/integriertem Netzteil oder 230V Netzspannung modifizieren, da über den Antennenstecker gefährliche Berührungsspannungen entstehen können.

Beim Nachbau müssen natürlich alle wichtigen einschlägigen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit gefährlichen Spannungen eingehalten werden. Fundierte theoretische und praktische Fachkenntnisse der Elektrotechnik und für den Umgang mit gefährlichen Spannungen sind unverzichtbar!! Durch eine unsachgemäße Installation gefährden Sie ihr Leben und das Leben ihrer Mitmenschen! Darüberhinaus riskieren Sie erhebliche Sachschäden , welche durch Brand etc. hervorgerufen werden können ! Für alle Personen- und Sachschäden durch falsche Installation etc. ist nicht der Hersteller sondern nur der Betreiber verantwortlich. Ich verweise hier unbedingt auf die „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs.

Tipps für die Fehlersuche

Normalerweise ist der Anschluss der Antenne völlig problemlos und in wenigen Minuten erledigt. Wenn dennoch Probleme bleiben, dann können die nachfolgend aufgelisteten Lösungsvorschläge möglicherweise helfen:

Die Kabelpeitsche mit der SMA-Buchse muß an die entsprechenden Lötpunkte am Sendemodul angelötet werden. Beim Abisolieren kann durch zu heftiges Ziehen am Innenleiter der Innenstift der SMA-Buchse zurückgezogen werden. Deshalb beim Abisolieren den Innenleiter immer festhalten!
Nach dem Anlöten mit einem Ohmmeter prüfen, ob die Verbindung zwischen dem Innenstift der SMA-Buchse und dem Innenleiter-Lötpunkt am HM-Sendemodul vorhanden ist.
Mit dem Ohmmeter prüfen, ob der Aussenleiter (Abschirmung) zwischen dem Gehäuse der SMA-Buchse und dem Abschirmungsanschluss am HM-Sendemodul auch gute Verbindung hat
Mit dem Ohmmeter prüfen, daß Innenleiter und Aussenleiter keinen Kurzschluss haben.
Bei Feldstärkemessungen mit devconfig ist zu berücksichtigen, daß die Zahlen negativ sind. Je kleiner die negativen Zahlen sind, umso besser! Weiterhin sind die angezeigten Werte vom letzten Datenverkehr und der kann u.U. sehr alt sein! Deshalb die für die Messung verwendeten Aktoren unbedingt manuell oder per Programm vor der Messung betätigen.
Feldstärkemessungen müssen mit mehreren Aktoren erfolgen und ein Mittelwert gebildet werden, weil die „chaotischen“ Wellenausbreitungen und Interferenzen im Haus an manchen Stellen zu Feldstärkeverberbesserungen aber auch zu Felstärkeminderungen führen können.
Der richtige Standort der Antenne ist von zentraler Bedeutung für gute Funkverbindungen im Haus. Leider kann kein Rezept dafür gegeben werden, weil im Haus eben durch Betondecken, Wände und aluminisierte Dampfsperren etc. eine völlig „chaotische“ Wellenausbreitung erfolgt. Antennen mit hoher Richtwirkung bzw. Gewinn sind deshalb im Haus völlig kontraproduktiv! Also Probieren und mit Verstand und Glück den richtigen Sendestandort finden.