Hinweis:
Die QuadBeam2-Antenne ist eine Weiterentwicklung der bereits einige Jahre erfolgreich eingesetzten QuadBeam-Antenne. Die neue Version zeichnet sich durch einfacheren Nachbau aus. Die QuadBeam2-Antenne ist eine Variation der DualBeam2-Antenne insbesondere für den Einsatz in mehretagigen Häusern.
Warum das Ganze?
Eine tragende Funktion bei der Homematic-Hausautomation ist eine gute/zuverlässige Funkverbindung zwischen der Zentrale(CCU) und den Funk-Sensoren und -Aktoren. Solange alle Komponenten fast in Sichtweite sind, funktioniert in der Regel das System tadellos. Aber sobald sich funktechnische „Barrieren“ in den Weg stellen, wird es mit der Konnektivität schwierig. Wände dämpfen die Funkwellen mehr oder weniger stark und insbesondere armierte Betondecken oder Isolierungen mit Dampfsperren aus Aluminiumfolie sind für Funkwellen manchmal unüberwindliche Sperren.
Viele fangen dann gleich mit teuren und stromfressenden Repeatern oder Gateways an, obwohl damit meist nicht die gesamte Bandbreite der verfügbaren Standard- oder IP-Sensoren abgedeckt wird. Auch ist solch ein System schwieriger zu administrieren; es ist halt deutlich komplizierter! Dabei gibt es gute Lösungsansätze mit Antennen auch bei Häusern mit mehreren Etagen und dicken Betondecken! Man muß „nur“ in jeder Etage mindestens eine Antenne positionieren und diese Antennen mit möglichst dämpfungsarmen Antennenkabeln verbinden. Notwendig sind dafür aber bauliche Möglichkeiten( Leerohre, Deckendurchbrüche etc.) für eine möglichst kurze Verbindung mit geeigneten möglichst dämpfungsarmen Antennenkabeln.
Ehrlicherweise muß man aber auch darauf hinweisen, daß zwar der Weg mit zusätzlichen Antennen in fast allen Fällen sehr gut funktioniert, aber wegen der funktechnisch chaotischen Bedingungen in einem Haus kann aber niemand eine Funktionsgarantie abgeben! So eine Antenneninstallation ist immer mit Versuchen und Optimierungen verbunden. Eine Funktion „out of the box“ gibt es damit nicht!!
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, CCU2, CCU3, Raspimatic etc. 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
Externe Stabantenne für CCU und andere HM-Komponenten
Groundplane-Antenne für Homematic
DualBeam2 …die optimale Antenne für alle Homematic-CCUs und HM-Funk-Sticks!
Funkeigenschaften bei Raspberry-Homematic verbessern mit räumlich abgesetztem Funkmodul
Nützliches Skript für die Optimierung der Antenne in Homematic-Systemen
…
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 völlig 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 mehr als 1m abgesetzt von der CCU und flexibel räumlich platzierbar sein sollte, um den optimalen Sendeplatz üblicherweise nach dem Try&Error -Verfahren zu ermitteln.
Warum mehrere Antennen ?
Für die meisten Anwender reichen die in meinem Webshop verfügbaren Stab– und Flachantennen völlig aus, um eine stabile Funk-Kommunikation zu erreichen. Aber unter sehr schwierigen Ausbreitungsbedingungen beispielsweise bei großen mehretagigen Häusern oder hochgebauten Reihenhäusern wird es immer Empfangsprobleme geben. Ursache sind meist die dicken 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. Mehrere Antennen können hier eine sehr gute und einfache Lösung sein, weil man u.U. die Antennen räumlich getrennt in den verschiedenen Stockwerken platzieren kann. Die zwischenliegende Betondecke ist dann nicht mehr das Problem.
Dazu müssen aber die Antennen in geeigneter Weise an die CCU gekoppelt werden. Eine einfache Parallelschaltung funktioniert nicht, weil beispielsweise 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 hier verwendete Lösungsansatz ist einfach und sehr kostengünstig. Mit einem sog. Viertelwellen-Transformator kann man den Wellenwiderstand der jeweils parallel geschalteten zwei Antennen auf den gewünschten Wellenwiderstand von 50 Ohm transformieren. Das folgende Bild zeigt, wie man das für insgesamt 4 Antennen macht:
Die vier 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.
Vergleich mit anderen Antennen
Natürlich entsteht immer die Hauptfrage: Was bringen eigentlich die neuen Antennen gegenüber der eingebauten? 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. 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.
Wichtig ist bei der Messung mit „devconfig“ , daß man vor der Einzelmessung die entsprechenden HM-Module betätigt oder abgefragt hat, damit die ermittelten Werte auch aktualisiert sind. 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.
Um einen möglichst objektiven Eindruck zu bekommen, was eine externe Homematic-Antenne gegen über dem normalerweise eingebauten 8cm-Drahtstummel an Gewinn bringt, habe ich ein spezielles HM-Skript entwickelt, das besser als das eingebaute „devconfig“-Programm die Empfangsfeldstärken (RSSI) in den verschiedenen HM-Modulen und in der CCU zusammenbringt und den Mittelwert davon bildet. Mit diesen Messwerten lassen sich verschiedene Antennen am individuell sehr verschiedenen Einbauort vergleichen und insbesondere die Ausrichtung der einzelnen Stabantennen optimieren. Hier dazu mehr!
Am Beispiel der folgenden Antennen wird das Verfahren klarer. Um mit verschiedenen Antennen brauchbare Vergleichsergebnisse zu bekommen, wurden alle Vergleichskandidaten an der gleichen Stelle platziert. Dazu wurde an der CCU ein 3m langes RG174-Verlängerungskabel angeschlossen und die jeweilige Testantenne dann am Messort angeschlossen. Als Messort habe ich eine Kommodenauflage in meinem Wohnzimmer gewählt, weil dieser Ort ziemlich mittig in meinem Haus liegt. Das folgende Bild zeigt die 3 verwendeten Antennen.
der normale 8,6cm-Drahtstummel die Stabantenne die DualBeam2
Die Messung mit dem Skript muß über einen längeren Zeitraum erfolgen, so daß mit hoher Wahrscheinlichkeit nahezu alle Funkmodule im Smarthome irgendwann mal aktiviert wurden. Denn nur bei Aktivierung wird in den meisten Fällen der RSSI-Wert im Modul und in der CCU aktualisiert. Also Kurzzeitmessungen bringen recht wenig bei der Optimierung z.B. der Antennenposition und Ausrichtung. Die im folgenden Bild dargestellten Messergebnisse wurde über 2 Tage ermittelt (siehe x-Achse). Die Empfangsstärke in dBm ist auf der y-Achse aufgetragen.
Diese Ergebnisse haben mich doch sehr überrascht. Die Verbesserungen gegenüber dem originalen Drahtstummel sind mit 4dB bei meiner Stabantenne und sagenhafte 7,2dB bei meiner DualBeam2 Antenne doch erheblich. Das was ich über Jahre nur subjektiv feststellen konnte, ist jetzt mit konkreten Messergebnissen bestätigt.
Mit geringem Aufwand ist mit einer geeigneten Antenne das ganze „Theater“ mit Repeatern etc. meistens gar nicht notwendig! Die Antenne macht’s wirklich!
Nachbau der QuadBeam2-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 des Bausatzes. Optional können noch ein oder zwei besonders verlustarme 5m-Anschlusskabel für die räumlich getrennte Platzierung der Stabantennen bestellt werden.
Haftungs- und Sicherheitshinweise
Nur HM-Module mit Spannungsversorgung aus Batterie oder galvanisch getrennten schutzisolierten externen Netzteilen umrüsten (wie CCUx oder Raspberrymatic). Keinesfalls einzelne HM-Module mit internem/integriertem Netzteil oder 230V Netzspannung (wie z.B. die meisten Rollladenaktoren) modifizieren, da über die Antennenverbindungen 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 hafte für keinerlei Schäden im Zusammenhang mit den beschriebenen technischen Lösungen. 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 RP-SMA-Buchsen und dem Innenleiter-Lötpunkt am HM-Sendemodul vorhanden ist.
- Mit dem Ohmmeter prüfen, ob der Aussenleiter (Abschirmung) zwischen dem Gehäuse der RP-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.
