Bauanleitung

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                                                                                         Wels, am 2014-08-02

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Bauanleitung Bi-Quad  Antenne

Rein technisch gesehen handelt es sich bei einer Antenne um eine technische Anordnung, die elektromagnetische Wellen abstrahlt und empfängt.

Als Sendeantenne wandelt sie dabei leitungsgebundene elektromagnetische Wellen in Freiraumwellen um, als Empfangsantenne wandelt sie entsprechend umgekehrt Freiraumwellen wieder in leitungsgebundene elektromagnetische Wellen um. Antennen kommen in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz, beispielsweise im Zusammenhang mit Funk, Fernsehen oder WLAN.

In der nachfolgenden Bauanleitung wird beschrieben, wie mit recht einfachen Mitteln eine WLAN-Bi-Quad-Antenne gebaut werden kann.

Weshalb überhaupt eine WLAN-Antenne?

WLAN ermöglicht kabellose Verbindungen. So wird es durch WLAN beispielsweise möglich, per Notebook vom Sofa aus im Internet zu surfen oder Hardwarekomponenten wie Drucker ohne Kabelgewirr mit dem Rechner zu verbinden.

Außerdem bietet sich WLAN für Netzwerke an. In vielen Fällen geraten die handelsüblichen Router jedoch schnell an ihre Grenzen, etwa wenn dicke Wände dazu führen, dass sich die angegebene Reichweite von 40m auf gerade einmal 5m reduziert.

In diesem Fall helfen Antennen weiter, die für eine ordentliche Leistung auch bei größeren Entfernungen sorgen.

Bevor der Hobbybastler nun aber damit beginnt, seine Antenne selber zu bauen, sollte er sich über die zugelassenen Sendeleistungen informieren.

Hier setzt der Gesetzgeber nämlich klare Grenzen und wer sich nicht an die Vorgaben hält, muss mit entsprechenden Strafen rechnen.

Was wird für die Antenne Marke Selbstbau benötigt?

Für die selbstgebaute Antenne werden

  • Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1,5mm,
  • ein Einbausicherungshalter für Feinsicherungen oder eine Einbau-Signallampe,
  • Antennenkabel und ein Antennenstecker oder ein fertig konfektioniertes Kabel,
  • eine 10 x 14cm große Kupferplatte als Reflektorplatte oder alternativ eine ausgemusterte CD,
  • ein Vierkantmöbelfuß, 10cm hoch und
  • Kabelbinder

benötigt.

Als Werkzeuge kommen in erster Linie Kombizange, Bohrmaschine und Lötkolben zum Einsatz.

Die Arbeitsschritte beim Selbstbau der Antenne

1. Kupferdraht biegen

a.) Im ersten Arbeitsschritt wird der Kupferdraht zum Bi-Quad gebogen.

Dazu wird der Kupferdraht gestreckt und abgeschnitten.

Reflektorplatte. min. 10 x 14cm Bi-Quad  (ODER min. 10 x 24cm Doppel Bi-Quad)  großen Kupferplatte (od. 1,6mm Cu beschichtete Printplatte) oder eine alte  CD.


Frequenz = 2,45GHz

Nun muss man noch die Dicke der Antenne berücksichtigen.

Für den Innenleiter wird die errechnete Antennenlänge deshalb mit dem Verkürzungsfaktor 0,975 multipliziert.

Länge des Innenleiters  300.000km/s durch 2.450.000kHz durch 4 mal 0,975 = 29,85mm

Bei WLAN 2,45GHz bleibt noch 1/4 Lambda.
Wenn Lambda 12,5cm sind dann wären 1/4 davon 3,125cm.
Jetzt muss man berücksichtigen, dass Radiowellen sich auf einem Leiter etwas langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, somit die Wellenlänge etwas kürzer wird.
Das bedeutet es kommt ein Verkürzungsfaktor ins Spiel welcher vom verwandten Material abhängig ist.
Bei Kupfer mit Dm 2,5mm  rechnet man mit Faktor 0,975 das wiederum bedeutet, dass ein Lambda-viertel-Strahler ~29,85 mm lang sein würde.


8x 30mm sollte der Kupferdraht 24,4cm lang sein. (Doppel Bi-Quad 16x 30mm sollte der Kupferdraht 48,8cm lang sein)

Dann wird die Mitte des Kupferdrahts markiert und der Draht an dieser Stelle exakt im rechten Winkel gebogen.

Dann wird wieder die Mitte jeder Seite ermittelt und ein weiteres Mal im rechten Winkel abgeknickt.

Dies wird nun noch zwei weitere Male wiederholt, so dass am Ende zwei genau gleichgroße Vierecke entstanden sind.

Je nach Biegeradius können unterschiedliche Ergebnisse entstehen , aber der Mittenabstand der Quadrate  soll / muß 30mm sein.

Antenne Bauzeichnung 1

b.) Wichtig dabei ist, die Quadrate so exakt wie möglich zu biegen, denn je gleichmäßiger die Quadrate sind, desto besser arbeitet die Antenne.

Dann wird das Bi-Quad auf einer ebenen Fläche so ausgerichtet, dass es ganz flach aufliegt.

An den Lötstellen wird das Bi-Quad nun verzinnt.

2. Kabel und Bi-Quad verbinden

Anschließend wird das Kabel an den Enden abisoliert und ebenfalls verzinnt.

Danach wird das Kabel an das Bi-Quad angelötet.

Zum Schutz vor Korrosion kann das Bauteil nun mit Sprühlack beschichtet werden, wobei dieser sowohl transparent als auch farbig sein kann.

Danach wird dann der Stecker an das Kabel angelötet, sofern kein fertig konfektioniertes Kabel verwendet wird.

3. Abstandshalter bauen

Aus dem Einbausicherungsschalter oder der Einbau-Signallampe wird nun ein verstellbarer Abstandshalter mit Kabeldurchführung gebaut.

Dazu werden die Metallteile entfernt und das geschlossene Endstück wird abgesägt.

Dann wird eine Durchführung für das Kabel mit einem Innendurchmesser von 9,5mm gebohrt.

Als Alternative kann auch ein einfaches Metall- oder Kunststoffröhrchen verwendet werden, durch das das Kabel geführt werden kann.

Allerdings besteht hier der Nachteil, dass sich die Antenne weniger gut verstellen lässt.

4. Halterung bauen

Etwa 2cm vom oberen Ende entfernt wird jetzt ein Loch durch den Möbelfuß gebohrt.

Das Loch muss dabei so groß sein, dass der Antennenstecker hindurchpasst.

Auf einer Seite wird das Bohrloch dann soweit vergrößert, dass der Abstandshalter hineingesteckt werden kann.

5. Zusammenbau der Antenne

Jetzt wird die Reflektorplatte auf den Abstandshalter geschoben.

Dafür muss bei einer Kupferplatte mittig ein entsprechend großes Loch gebohrt werden, bei einer CD kann es sein, dass das vorhandene Loch etwas vergrößert werden muss.

Mithilfe von zwei Muttern wird der Abstandshalter dann so auf der Reflektorplatte fixiert, dass der Abstand zwischen dem Reflektor und der Bi-Quad-Antenne mindestens 15,5mm beträgt.

Dann wird das Kabel durch den Abstandshalter geführt, das Bi-Quad parallel zum Reflektor ausgerichtet und mit Heißkleber fixiert.

Antenne Bauzeichnung 2

Der Abstandshalter wird in dem Loch im Möbelfuß positioniert, das Antennenkabel durch den Möbelfuß gezogen und mit einem Kabelbinder als Zugentlastung fixiert.

Endgültig verklebt wird das Antennenkabel erst, nachdem die selbstgebaute Antenne an die Netzwerkkarte geschraubt und die Signalstärke optimiert ist.

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Antennen Bauanleitung

Antennen werden in den unterschiedlichsten Bereichen verwendet, etwa beim Fernsehempfang, im Amateurfunk und auch im Zusammenhang mit WLAN.

Vor allem WLAN-Antennen gehören dabei zu den beliebten Bastelprojekten, denn gute WLAN-Antennen im Handel sind recht teuer.

Insofern gehen viele dazu über, ihre Antennen einfach selber zu bauen.

Dafür stehen mehrere Varianten zur Verfügung und da die meisten Antennen aus nur sehr wenigen und dabei kostengünstigen Bauteilen bestehen, kann der Hobbybastler durchaus mehrere Antennen bauen und in diesem Zuge ausprobieren, welche am effektivsten arbeitet.

Generell gilt dabei aber zu bedenken, dass es festgelegte Höchstgrenzen für die Sendeleistungen gibt und es zu hohen Strafen führen kann, wenn diese Höchstgrenzen überschritten werden.

In der folgenden Bauanleitung wird eine Yagi-Antenne beschrieben, die aus einer Chipsdose gebaut wird.

Nach dem gleichen Prinzip kann die Antenne aber auch aus jeder anderen Konservendose gebaut werden.

Grundlegendes zur Antenne

Eine Yagi-Antenne setzt sich prinzipiell aus drei Bauteilen zusammen, nämlich aus einem Direktor, aus einem Reflektor und aus einem Erreger.

Durch den Direktor werden die Strahlen aufgefangen, verstärkt und auf den Reflektor übertragen.

Der Reflektor wirft die Strahlen wieder zurück, was zu einer hohen Strahlenkonzentration zwischen dem Direktor und dem Reflektor führt.

An dem Punkt, an dem die Strahlung am größten ist, befindet sich der Erreger.

Beim Empfang fängt dieser die Strahlen auf und leitet sie zur WLAN-Karte ab.

Beim Senden funktioniert das Ganze in die entgegen gesetzte Richtung, die Signale gehen somit vom Erreger aus.

Damit arbeitet eine Yagi-Antenne vom Prinzip her genauso wie beispielsweise eine Fernsehantenne.

Materialliste für die Antenne

  • 1 Chipsdose
  • 1 Gewindestange M5
  • 1 Aluminiumrohr mit einem Außendurchmesser von 8mm. Das Rohr muss einen solchen Innendurchmesser haben, dass die Gewindestange gerade so hindurchgeschoben werden kann.
  • 5 Unterlegscheiben, 3cm Durchmesser, 1mm stark und mit einem Innendurchmesser M5
  • 2 Muttern M5
  • 1 Scheibe aus Karton, die dem Innendurchmesser der Chipsdose entspricht
  • 1 N-Flanschbuchse
  • Kupferdraht, 4mm^2

Die Antennen Bauanleitung

1. Schritt: den Direktor bauen

a.) Beim Bau der Antenne ist etwas Mathematik notwendig, denn die Abstände zwischen den Unterlegscheiben müssen mit einem Viertel der Wellenlänge übereinstimmen.

Im niedrigeren Frequenzbereich sind die Wellen länger als in höheren Frequenzbereichen, weshalb in dieser Bauanleitung von der Frequenz von Kanal 1 ausgegangen wird. In diesem Fall beträgt die Wellenlänge 12,4cm, was bedeutet, dass bei dieser Antenne die Abstände zwischen den Unterlegscheiben 3,1cm betragen.

Für andere Frequenzen müssen die Abstände mit den entsprechenden Formeln ermittelt werden.

b.) Das Aluminiumrohr wird nun in vier 3,1cm lange Stücke geschnitten.

Dann wird der Deckel der Chipsdose mit einem Loch versehen.

Jetzt wird erst eine Mutter auf das Ende der Gewindestange gedreht, darüber kommt der Deckel der Chipsdose und danach immer abwechselnd eine Unterlegscheibe und ein Stück des Aluminiumrohrs.

Zwischen das dritte Rohrstück und die Unterlegscheibe wird aber noch die Scheibe aus Karton geschoben.

Sie hält den Direktor später sicher in der Mitte der Chipsdose und verhindert, dass er sich nach unten biegt.

Nach der letzten Unterlegscheibe wird dann die zweite Mutter aufgedreht und die überstehenden Teile der Gewindestangen werden hinter den Muttern abgesägt.

Damit ist der Direktor fertig und sieht so aus:

Antennen Bauzeichnung

2. Schritt: den Erreger bauen

Der Erreger ist recht einfach zu bauen, da er lediglich aus zwei Bauteilen besteht, nämlich aus Kupferdraht und dem N-Flansch.

Zuerst wird ein etwa 2,5cm langes Stück Kupferdraht gerade gebogen.

Für die Effektivität ist es wichtig, dass der Draht so gerade wie möglich ist.

Danach wird der Kupferdraht in den messingfarbenen Innenleiter des N-Flansches gelötet.

3. Schritt: die Antenne zusammenbauen

Etwa 8,6cm vom Boden der Chipsdose entfernt wird nun ein Loch gearbeitet.

Dieses Loch sollte nur so groß sein, dass das Gewinde des N-Flansches hindurchgeschoben werden kann.

Der N-Flansch wird nun von innen nach außen durch das Loch geschoben, wodurch sich die quadratische Platte im Inneren der Chipsdose befindet.

Mit etwas Heißkleber wird der N-Flansch anschließend fixiert.

Nun wird nur noch der Direktor in die Chipsdose eingesetzt und damit ist die Antenne Marke Eigenbau auch schon fertig.

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Bauanleitung Wlan


Gute WLAN-Antennen sind teilweise sogar teurer als Router.

Daher ist es nicht weiter verwunderlich, dass viele mit dem Gedanken spielen, ihre Antenne für WLAN selber zu bauen.

Die Materialkosten für eine WLAN-Antenne Marke Eigenbau sind sehr gering und auch der Arbeitsaufwand hält sich in Grenzen.

Der sehr günstige Preis ist dabei vermutlich der wichtigste und größte Vorteil einer selbstgebauten Antenne.

So kann eine solche Antenne aus beispielsweise einer CD-Spindel, einer Butterdose aus Blech oder einer Konservendose gebaut werden und neben dem Antennenkabel und dem Antennenstecker werden nur Materialien benötigt, die meist ohnehin in jedem Haushalt vorhanden sind.

Auch wer technisch und handwerklich wenig erfahren ist, kann sich innerhalb weniger Stunden eine effektive Antenne für WLAN selber bauen und dabei einen Antennengewinn zwischen etwa 8 und 16 dBi erzielen.

Damit ist die Signalqualität innerhalb des Funknetzwerkes deutlich besser und auch der Datendurchsatz fällt wesentlich höher aus.

Der wichtigste Nachteil von selbstgebauten Antennen ergibt sich durch die rechtlichen Vorschriften.

So sind die zulässigen Sendeleistungen klar begrenzt, aber vor allem Antennen mit sende- und empfangsseitigem Antennengewinn überschreiten die zulässigen Grenzwerte häufig um ein Vielfaches.

Da Laien den Antennengewinn und die Sendeleistung jedoch oft nicht richtig berechnen können, sollten die Überprüfung und die Inbetriebnahme einem Fachmann überlassen werden, denn letztlich lassen sich nur so Strafen umgehen.

Ein weiterer Minuspunkt bei selbstgebauten Antennen kann die Qualität sein, was bedeutet, dass es trotz genauer Arbeitsweise zu Qualitätsschwankungen kommen kann.

Dennoch kann es sich lohnen, eine Antenne für WLAN selber zu bauen und hier eine Bauanleitung dazu.


Bi-Quad-Antenne für WLAN selber bauen

1.) Die Hauptbestandteile dieser Antenne sind eine 25er CD-Spindel, eine CD, ein Antennenkabel sowie ein 25cm langes Stück Kupferdraht.

Zuerst wird die CD-Spindel mit einer Säge so gekürzt, dass das Mittelteil 18mm lang ist.

Anschließend werden mit einer feinen Rundfeile Schlitze in das Mittelteil gearbeitet, die 16mm vom Boden entfernt enden sollten.

In diese Schlitze wird später das Bi-Quad eingelegt.

2.) Im nächsten Arbeitsschritt wird nun das Bi-Quad aus dem 25cm langen Kupferdraht gebogen.

Dazu wird der Draht nach immer exakt 29mm im rechten Winkel umgebogen.

Hier ist eine präzise Arbeitsweise entscheidend, denn ansonsten wird die Leistung der Antenne sehr negativ beeinflusst.

Wlan Bauzeichnung 1

3.) Das fertig gebogene Bi-Quad wird anschließend an den Verbindungsstellen verzinnt.

Dann wird das Antennenkabel angelötet, indem jeweils der Innen- und der Außenleiter in der Mitte des Bi-Quads fixiert werden.

Als Schutz vor Oxidation kann das Bi-Quad nun noch mit einer Schutzschicht aus Lack überzogen werden.

Wlan Bauzeichnung 2

4.) Mit zwei Tropfen Heißkleber werden nun zuerst die CD als Reflektorplatte und anschließend das Bi-Quad ebenfalls mit Heißkleber auf der Spindel als Halter fixiert.

Hier muss nun nochmals kontrolliert werden, ob die Schlitze so gearbeitet wurden, dass der Abstand zwischen Bi-Quad und Boden 16mm beträgt.

5.) Auf der Rückseite werden nun ebenfalls wenige Tropfen Heißkleber aufgebracht, die für eine Zugentlastung des Antennenkabels zuständig sind.

Nun muss die Antenne nur noch angeschlossen werden.

Dies gelingt am einfachsten, wenn die Antenne an den Reverse SMA Anschluss angelötet wird.

Technisch Erfahrene können jedoch auch erst die Originalantenne ablöten und die neue Antenne dann an dieser Stelle mit der Platine verbinden.


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Bau einer WLAN Antenne für das 2,4 GHz Band

Der Trend geht zum Zweit-PC oder Dritt-PC. In vielen Familien steht heute der alte Computer im Kinderzimmer, weil sich das Familienoberhaupt eine Multimediamaschine mit DVD-Player und –Brenner angeschafft hat. Die Lehrer gehen davon aus, dass die Schüler für ihre Hausaufgaben das Internet als Informationsquelle nutzen. Und wenn dann noch ein anderes Familienmitglied ein Spielefreak ist und mit anderen Fans seine Sessions abhalten will, sind schon 3 Interessenten für einen gleichzeitigen Internetzugriff gefunden.

Die elegante Lösung ist das drahtlose Netz (WLAN = Wireless Local Area Network). Im Zuge der sich rasant verbreitenden DSL-Anbindung ist es ohne Weiteres möglich, dass mehrere Surfer die technische Kapazität der Leitung besser ausnutzen.

Leider reichen die handelsüblichen Router oft nicht aus, da die häuslichen Wohnverhältnisse so beschaffen sind, dass die viel gepriesene 40m-Reichweite plötzlich auf 10m oder weniger zusammenschrumpft. Für diesen Fall können Sie leistungsstarke Antennen herstellen, die eine einwandfreie Empfangsleistung auch über eine größere Entfernung garantieren.
Hier die verschiedenen Bauformen, die ich ausprobiert habe:
 
       
Biquad-Antenne
mit CD-Reflektor
ca. 10 dBi
Doppel-Biquad-Antenne
mit Kupfer-Reflektor
ca. 12 dBi
Waveguide-Antenne
mit Dosenreflektor
ca. 11 dBi
Biquad-Antenne
mit Kupfer- oder Aluminium-Reflektor
ca. 12 dBi

Formschöne Antenne, reicht in den meisten Fällen aus; lässt sich auf den Rechner oder Schreibtisch stellen und gut positionieren.

Vorteilhaft für einen breiteren Empfangsbereich oder größere Entfernung;

korrosionsgeschützt durch farblosen Überzugslack

Gute Richtwirkung; bei genauer Ausrichtung hoher Gewinn;

Gute Leitungswerte durch Verwendung von Kupfer- oder Aluminiumplatte als Reflektor; korrosionsgeschützt durch farblosen Überzugslack;

Die Antenne wird durch farblosen Überzugslack vor Korrosion geschützt

 

 

 

Mit zwei  Geräten kann durch die Bündelung der Sendeleistung eine ziemlich abhörfreie Übertragungsstrecke aufgebaut werden.

Hohe Reichweiten lassen sich übrigens erzielen, wenn man die Antenne auf den Polarisationsarm einer Satellitenschüssel montiert (Reichweite 1...18 km).

Die günstigsten Antennen sind die Biquads mit Kupfer- oder Aluminium-Reflektor. Sie haben eine hohe Leistung und sind kostengünstig.

Zur Befestigung der Antennen benutze ich ein kurzes Tischbein aus dem Baumarkt. Vorteilhaft sind die Bohrlöcher, weil damit nach genauer Ausrichtung auch eine Dauerbefestigung erfolgen kann. Als Anschluss dient ein 100 cm langes RG 58 Kabel mit Antennen-Normstecker SMA 03-RP. Je kürzer das Kabel ist, desto höher ist die Antennenleistung
Die Leistungsangaben sind Mittelwerte; ich habe sie auf Kanal 6 gemessen. Auf den anderen Sendekanälen können die Werte besser oder geringfügig niedriger sein.

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Ausführliche Bauanleitung für den Selbstbau einer WLAN-Antenne

Vielleicht haben Sie auch Lust eine WLAN Antenne selbst zu bauen. Der Aufwand und die Kosten sind nicht hoch.

Dazu macht der Selbstbau eine Menge Spaß. Im Folgenden biete ich Ihnen eine ausführliche Bauanleitung an, die aus zwei Teilen besteht:
 

  • Teil 1: Antennen für das Wireless LAN im 2,4 GHz-Band
    In diesem Artikel werden verschiedene Antennen und ihre Wirkungsweisen vorgestellt, die sich für den Selbstbau eignen. Sie können den Text wlan-antennen.pdf durch Anklicken hier herunterladen.
  • Teil 2: Unterrichtsprojekt: Bau von WLAN-Antennen für das 2,4 GHz-Band
    In diesem Dokument wird der Selbstbau einer Wireless LAN - Antenne für das 2,4 GHz-Band beschrieben.
  • Der Bau ist als Unterrichtseinheit für einen Wahlpflichtkurs Technik ab Klasse 8 oder für ein Projekt in einer Projektwoche konzipiert und enthält alle didaktisch-methodischen Anweisungen, sachliche Informationen sowie eine detaillierte Bauanweisung. Natürlich eignet sich die Anleitung auch für jeden Hobby-Bastler.
    Sie können die Bauanleitung wlanprojekt.pdf hier durch Anklicken herunterladen.
300_d_Tresselt-x_WLAN-Antenne - Eigenbau-Antennen für das Wireless LAN im 2,4 GHz Band_1a.pdf

300_d_Tresselt-x_Selbstbau einer Richt-Antenne  für das Wireless LAN im 2,4 GHz Band_1a.pdf


http://www.tresselt.de/wlan.htm






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DVB-T Antennen

WLAN Rundstrahlantennen
(gerne auch Rundstrahler, WLAN Rundumantenne, Stabantenne oder Omni Antenne genannt)


Inhaltsverzeichnis

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Antennen

In der Regel können die bisherigen Fernsehantennen weiterverwendet werden. Im Hauptsendebereich reicht es jedoch oft auch aus, ein Koaxialkabel etwa 12,5 cm abzumanteln (falls auch VHF benötigt wird, etwas länger, siehe Beispiel unten). Das Massegeflecht (der "Schirm") wird dann ca. 12,5 cm über den Außenmantel gestülpt, während der Innenleiter des Kabels ebenfalls ca. 12,5 cm aus dem abisolierten Kabel herausragt.

Die so gebastelte Dipol-Antenne wird dann senkrecht (oder waagrecht, je nach Polarisationsebene des Senders) am Fenster ausgerichtet.

Eine höhere Montageposition trägt gewöhnlich zur Empfangsverbesserung bei.

HINWEIS:

Gewöhnlich bietet eine passive Antenne im Hauptempfangsbereich besseren Empfang als eine Antenne mit Verstärker.

Eine Signalamplitude von 35 bis 40 µV soll bereits zum Empfang von DVB-T genügen. Ist eine Pegelanhebung zur Verbesserung der Empfangsqualität unumgänglich, sollte zuerst über eine bessere Antennenart und -position nachgedacht werden.

Falls doch ein Verstärker verwendet werden muss, sollte ein breitbandiger Verstärker eingesetzt werden, da DVB-T COFDM (eine Modulationsart mit 2048, 4096 oder 8192 verschiedenen QAM-modulierten Unterträgern) verwendet.


  • Schritt1: Kabelmantel ablängen, dabei Geflecht bitte nicht einritzen
Kabelmantel ablängen
  • Schritt2: Massegeflecht umstülpen und Dielektrikum entfernen
Dielektrikum (das innere Plastik) entfernen
  • Schritt3: Mit Schrumpfschlauch fixieren
fixieren

Bei der dargestellten Antenne handelt es sich um eine sogenannte Koaxialantenne, eine Abwandlung der Sleeve-Antenne.

Die Antenne stellt elektrisch gesehen einen offenen Lambda/2-Dipol dar.

Dabei stellt der freigelegte Innenleiter die eine Hälfte des Dipols mit Lambda/4 dar. Die andere Seite des Dipols (ebenfalls mit Lambda/4) bildet das umgestülpte Massegeflecht, das auch gleichzeitig als Viertelwellensperrtopf für die Anpassung des Wellenwiderstandes an das Koaxialkabel dient.
Die Länge der Antenne ergibt sich aus Lambda = c / f (c=Lichtgeschwindigkeit in km/s, f=Frequenz in MHz, mit der Länge kann auch die Mittenfrequenz der Antenne verändert werden.

Die Länge des Massegeflechts sollte 0,95 x Lambda/4 betragen, die des freigelegten Innenleiters 0,97 x Lambda/4.

Im Übrigen lässt sich diese Antenne hervorragend in einem weißen Kabelkanal am Fenster verstecken.

Berechnung

Fiktives Beispiel, bitte auf regionale Verhältnisse abstimmen:

Die kleinste benötigte UHF-Frequenz beträgt 482 MHz. Die größte benötigte UHF-Frequenz 802 MHz.

Mittelfrequenz: (490 MHz + 706 MHz)/2 = 598 MHz

Lambda = 299.792 km/s / 598 MHz = 501,32 mm = 50,1 cm gerundet

  • Massegeflecht: 50,1 cm x 0,95 / 4 = 11,9 cm
  • Innenleiter: 50,1 cm x 0,97 / 4 = 12,1 cm

Variationen der Selbstbau-Antenne

  • In der c't 11/2004 wurden einige Antennen getestet. Die selbstgebauten haben dort sogar besser abgeschnitten als die meisten Kaufantennen.
  • Das hängt jedoch von der jeweiligen Empfangssituation ab. Wer sich genauer mit Antennenbau beschäftigen will oder aufwendigere (aber auch empfangsstärkere) Antennen für wenig Geld selbst bauen will, kann sich bei den folgenden Links informieren. Eine Variante der hier vorgestellten Antenne soll etwas besser auf die tieferen Frequenzen der VHF-Kanäle (Kanal 2..8) abgestimmt sein.
  • Wer die Empfangsleistung noch erhöhen möchte, kann das Massegeflecht am unteren Ende (wo es sonst umgestülpt wird) abtrennen, ein Stück nach oben schieben und am Innenkanal anschließen.
  • Hier bitte beachten, dass das Geflecht komplett vom Rest getrennt und nun abisoliert ist.

Empfehlenswert wären hier ein Stück Schrumpfschlauch am unteren Ende des Geflechts und ein Stück zum Rest des Kabels hin.


http://www.vdr-wiki.de/wiki/index.php/DVB-T_Antennen#Variationen_der_Selbstbau-Antenne


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Theoretische Untersuchung von Breitbandantennen mit Realisierung einer logarithmisch-periodischen Dipolantenne


Inhaltsverzeichnis


Einleitung

1. Theorie der Antenne

1.1. Grundbegriffe

1.1.1. Definition der Antenne
1.1.2. Die elektromagnetische Welle

1.2. Elementarquellen

1.2.1. Isotroper Kugelstrahler
1.2.2. Hertzscher Dipol
1.2.3. Fitzgeraldscher Dipol
1.2.4. Huygenssche Elementarquelle

1.3. Kenngrößen

1.3.1. Polarisation
1.3.2. Richtcharakteristik und Richtdiagramm
1.3.3. Der Richtfaktor
1.3.4. Der Antennengewinn
1.3.5. Antennenimpedanz
1.3.6. Mittlerer Wellenwiderstand
1.3.7. Verkürzungsfaktor
1.3.8. Welligkeit und Stehwellenverhältnis
1.3.9. Bandbreite

2. Breitbandige Antennen

2.1. Dicker Leiter

2.1.1. Dicker zylindrischer Dipol
2.1.2. Ebener Flächenstrahler

2.2. Babinet-Prinzip

2.3. Winkelprinzip

2.4. Logarithmisch-periodisches Prinzip

2.5. Zusammenfassung

3. Ausführungsformen von Breitbandantennen

3.1. Stabantennen und Dipole

3.1.1. Kegelantenne
3.1.2. Gefalteter Dipol

3.2. Abgeschlossene Langdrahtantenne

3.3. Wendelantenne

3.4. Trichterantenne

3.5. Spiralantenne

3.5.1. Winkelkonstante Spiralantenne
3.5.2. Archimedische Spiralantenne

3.6. Logarithmisch-periodische Antenne

3.7. Speisung von Breitbandantennen

3.7.1. Frequenzgangkompensation
3.7.2. Impedanzwandler
3.7.3. Symmetrierglieder

3.8. Epilog zu den Breitbandantennen

4. Entwicklung einer log.-per. Dipolantenne

4.1. Elektrische Dimensionierung

4.1.1. Geometrie der LPDA
4.1.2. Aktive Zone der LPDA
4.1.3. Physikalische Kenngrößen
4.1.4. Impedanz der LPDA
4.1.5. Hinweise zur Dimensionierung
4.1.6. Berechnung der LPDA-Parameter

4.2. Mechanischer Aufbau

4.3. Meßergebnisse

Anhang A: Programm-Listing

Anhang B: Literaturverzeichnis

Anhang C: Meßkurven



1. Theorie der Antenne


1.1. Grundbegriffe


1.1.1. Definition der Antenne

In der drahtlosen Nachrichtenübertragungstechnik hat die Antenne im Sendefall die Aufgabe, die vom Sender gelieferte Leitungswelle in die Freiraumwelle umzuwandeln bzw. im Empfangsfall die Freiraumwelle in eine Leitungswelle zu wandeln, welche dann den Empfänger speist. Die Antenne wird deshalb auch als Wellentypwandler bezeichnet.

Damit die Abstrahlung bzw. der Empfang der elektromagnetischen Wellen reflexionsfrei erfolgt, muß die Antenne den Leitungswellenwiderstand ZL an den Feldwellenwiderstand des freien Raums

(1)

anpassen. Dieses erreicht man durch Formgebung und Größe der Antenne.

Für alle normalen Antennenanordnungen, die keine nichtlinearen und nichtreziproken Elemente wie Verstärker und Ferrite enthalten, gilt das Reziprozitätstheorem [3], [6]. Das bedeutet, daß die gleiche Antenne zum Empfang und Senden verwendet werden kann, ohne daß sich dabei ihre charakteristischen Eigenschaften bzw. Kenngrößen ändern. In dieser Arbeit gelten alle Angaben bezüglich des Empfangsfalles also entsprechend auch im Sendefall und umgekehrt.


1.1.2. Die elektromagnetische Welle

Im Vergleich zur Schwingung, die durch eine zeitliche Änderung von physikalischen Größen beschrieben wird, wird die Welle durch zeitliche und räumliche Änderungen physikalischer Größen bestimmt.

Die Kenngrößen der elektromagnetischen Welle sind

  • die Periodendauer T
  • die Frequenz f
  • die Wellenlänge l.

Zwischen ihnen besteht folgender Zusammenhang:

(2)

Die elektromagnetische Welle tritt beim offenen Schwingkreis auf, welcher als Antenne wirkt. Diese führt zu einer Abstrahlung und erzeugt ein elektromagnetisches Feld.

Die Kenngrößen des elektromagnetischen Feldes sind

  • die elektrische Feldstärke
  • die magnetische Feldstärke
  • der Feldwellenwiderstand .

Zwischen ihnen besteht folgender Zusammenhang [7]:

(3)

Die Antennenstrahlung kann durch den Vektor der elektromagnetischen Leistungsdichte (Poynting-Vektor) charakterisiert werden. Er gibt die Richtung und den Leistungsfluß der Welle je m2 an.

Im Normalfall ist der Abstand zwischen der Sende- und Empfangsantenne sehr groß, verglichen mit den Abmessungen der Sendeantenne und der Freiraumwellenlänge. Vom Empfangsort aus betrachtet scheint dann die Antennenstrahlung von einem einzigen Punkt, dem sogenannten Phasenzentrum, auszugehen. In diesem Fall befindet sich die Empfangsantenne in der Fernfeldregion. Im Fernfeld kann eine ebene Wellenfront angenommen werden; d.h. Flächen gleicher Phase sind parallele Ebenen. Bei Flächenantennen ergibt sich der Fernfeldabstand [7] durch

(4)

Dabei ist r der Abstand Sendeantenne - Empfangsantenne und D0 die größte Antennenabmessung. Bei Längsstrahlern liegt die Fernfeldgrenze bei r > 2 l0. Den Bereich zwischen Sendeantenne und Fernfeldregion bezeichnet man als Nahfeldregion bzw. Nahfeld.





1.2. Elementarquellen


1.2.1. Isotroper Kugelstrahler

Der isotrope Kugelstrahler [9] ist eine hypothetische, verlustfreie Antenne, die in alle Richtungen des Kugelraumes gleichmäßig abstrahlt. Sie erzeugt im Abstand r winkelunabhängig die Leistungsdichte

(5)

Pt ist dabei die Strahlungsleistung der Antenne.

Obwohl der isotrope Kugelstrahler praktisch nicht realisiert werden kann, ist er als theoretische Vergleichsantenne durchaus zweckmäßig. So wird der Gewinn einer Antenne meistens in Bezug auf den isotropen Kugelstrahler angegeben.


1.2.2. Hertzscher Dipol

Der Hertzsche Dipol (elektrischer Elementardipol) [7], [9] ist ein fiktiver Strahler dessen Länge D infinitesimal kurz ist und bei dem eine konstante Stromverteilung angenommen wird. In der Praxis kann er durch einen Dipol angenähert werden, dessen Länge L klein gegenüber der Wellenlänge l0 ist.

(6)

Eine nahezu konstante Strombelegung kann durch entsprechend große Dachkapazitäten gebildet werden.

Der Hertzsche Dipol beschreibt das Feld eines elementaren Stromelements. Durch Überlagerung äquivalenter Hertzscher Dipole können die Felder stromführender Leiter berechnet werden. Dabei gilt für das Gesamtfeld des Hertzschen Dipols in der Fernfeldregion:

(7)

(8)

(9)


1.2.3. Fitzgeraldscher Dipol


Ersetzt man beim Hertzschen Dipol den eingeprägten elektrischen Strom I0 durch einen dualen eingeprägten magnetischen Strom IM0, so erhält man den Fitzgeraldschen Dipol (magnetischer Elementardipol) [9]. In der Praxis erreicht man dieses, in dem man durch eine elektrisch kleine Leiterschleife der Fläche A einen konstanten Strom I0 führt. Es gilt dann:

(10)

In der Fernfeldregion erhält man für den Fitzgeraldschen Dipol:

(11)

(12)


1.2.4. Huygenssche Elementarquelle

Nach dem Huygensschen Gesetz bildet jeder Punkt einer primären Wellenfront ein Erregungszentrum einer sekundären Kugelwelle. Innerhalb eines Ausschnitts der Wellenfront mit den Seitenlängen Da und Db kann eine solche Sekundärquelle durch eine Überlagerung aus Hertzschem- und Fitzgeraldschem Dipol beschrieben werden. Diese bezeichnet man dann als Huygenssche Elementarquelle [9]. Ihre Felder erhält man durch folgende Gleichungen:

(13)

(14)

(15)

(16)

Dabei ist und .

Mit diesen Formeln kann das Strahlungsfeld bzw. die Richtcharakteristik einer Aperturantenne berechnet werden.


1.3. Kenngrößen


1.3.1. Polarisation

Die Polarisation [7], [10] gibt die Richtung des Vektors der elektrischen Feldstärke in der ausgestrahlten elektromagnetischen Welle an. Man unterscheidet dabei zwischen linearer und kreisförmiger Polarisation.

Bei der linearen Polarisation verlaufen die elektrischen Feldlinien geradlinig. Sind sie senkrecht zur Erdoberfläche gerichtet, spricht man speziell von vertikaler Polarisation; verlaufen sie horizontal zur Erdoberfläche, so liegt horizontale Polarisation vor.

Ist die Richtung der elektrischen Feldkomponente nicht fixiert, sondern läuft kontinuierlich in Kreisform, dann spricht man von zirkularer Polarisation. Je nach Umlaufsinn unterscheidet man hier noch in rechtsdrehender und linksdrehender Polarisation.


1.3.2. Richtcharakteristik und Richtdiagramm

Die Richtcharakteristik bzw. Strahlungscharakteristik beschreibt die Richtungsabhängigkeit der Amplitude, Phase und Polarisation der von der Antenne erzeugten Feldstärke. In der Praxis bezieht man sich jedoch nur auf die Amplitude der elektrischen oder magnetischen Feldstärke E(j ,J ) bzw. H(j ,J ) oder auf die von einer Antenne aufgenommene Empfangsspannung U(j ,J ). Es wird die Richtcharakteristik auf den Maximalwert bezogen angegeben:

(17)

Betrachtet man lediglich eine oder mehrere Schnittebenen der Richtcharakteristik und stellt diese graphisch dar, erhält man das Richtdiagramm bzw. Strahlungsdiagramm. Schnitte durch die E-Ebene bzw. durch die H-Ebene werden speziell Vertikal- und Horizontaldiagramm genannt.


1.3.3. Der Richtfaktor

Gegenüber Rundstrahlantennen, welche in alle Raumrichtungen annähernd gleich stark strahlen, haben Richtantennen eine mehr oder minder stark ausgeprägte Vorzugsrichtung. Der Richtfaktor D ist das Verhältnis der Strahlungsleistungsdichte Smax der Antenne in Hauptstrahlungsrichtung verglichen mit der Strahlungsleistungsdichte des isotropen Kugelstrahlers als Referenzantenne bei gleicher Strahlungsleistung Pt [9].

(18)

(19)




1.3.4. Der Antennengewinn

Der Gewinn G ist das Verhältnis der Strahlungsleistungsdichte Smax der Antenne in Hauptstrahlungsrichtung verglichen mit der Strahlungsleistungsdichte des isotropen Kugelstrahlers als Referenzantenne bei gleicher zugeführter Eingangsleistung Pt0 [7], [9].

(20)

Der Gewinn ist über den Antennenwirkungsgrad h mit dem Richtfaktor verknüpft.

(21)

Wird statt des isotropen Kugelstrahlers der Hertzsche Dipol als Referenzantenne benutzt, gilt:

(22)

Bezieht man sich auf den Halbwellendipol:

(23)

In der Praxis wird statt des Gewinnfaktors oft der Gewinnpegel G' = 10 log G in dB angegeben.


1.3.5. Antennenimpedanz

Bild 1

Bild 1 Ersatzschaltbild der Antenne im Sendefall

Bild 2

Bild 2 Ersatzschaltbild der Antenne im Empfangsfall


Der Realteil des Antennenwiderstandes einer verlustbehafteten Antenne besteht aus dem Strahlungswiderstand
Rr und dem Verlustwiderstand Rl.

(24)

(25)



Der Strahlungswiderstand des verlustlosen Hertzschen Dipols beträgt [7]:

(26)

Für die Antennenimpedanz eines infinitesimal dünnen Halbwellendipols mit sinusförmiger Stromverteilung gilt [6]:

(27)

Dabei ist C die Eulersche Konstante (C = 0,577215664901532...)

Um nun den Halbwellendipol bei Resonanz betreiben zu können, muß jXA = 0 werden. Dieses wird durch kürzen der Dipollänge h um den Faktor 0,96 erreicht.

(28)


1.3.6. Mittlerer Wellenwiderstand

Antennen weisen eine bestimmte Induktivität und Kapazität auf, welche im Gegensatz zu gestreckten elektrischen Leitungen nicht entlang des Leiters konstant sind. So fällt bei Antennen die Kapazität zu den Strahlerenden hin ab. Dieses wird deutlich, wenn man durch Aufklappen einer Zweidrahtleitung einen Dipol entstehen läßt.

Analog zur Leitungstheorie wird der Wellenwiderstand einer verlustlosen Antenne wie folgt definiert [9]:

(29)

Dabei ist C' der Kapazitätsbelag. Er gibt die Kapazität pro Längeneinheit an der betrachteten Stelle des Antennenleiters an. Entsprechend ist L' der Induktivitätsbelag und gibt die Selbstinduktion pro Längeneinheit an. Werden C' und L' als konstant angenommen, so erhält man den mittleren Wellenwiderstand ZM.


1.3.7. Verkürzungsfaktor

Die in Gleichung 28 beschriebene elektrische Länge eines Strahlers gilt nur für einen unendlich dünnen Leiter der in völlig freier Umgebung betrieben wird.

Reale Dipole müssen schon wegen der mechanischen Festigkeit eine Mindestdicke besitzen und befinden sich immer in der Nähe von Bäumen, Häusern und vor allem nahe dem Erdboden.

Dadurch haben die Dipolenden mehr Kapazität als im Idealzustand, und die Resonanzfrequenz sinkt.

Um die mechanische Länge einer Antenne zu erhalten, muß der Verkürzungsfaktor V, welcher abhängig vom Schlankheitsgrad s der Antenne ist, berücksichtigt werden.

(30)

(31)

Es sind h die Leiterlänge und d der Leiterdurchmesser der Antenne.

Die physikalische Antennenlänge eines Halbwellendipols erhält man also aus

(32)




1.3.8. Welligkeit und Stehwellenverhältnis

Ist der Antenneneingangswiderstand ZA gleich dem Wellenwiderstand ZL der Versorgungsleitung, nimmt die Antenne genau den Strom auf, den die Leitung bei der angelegten Spannung führt. Es besteht Anpassung. Jede Abweichung bedeutet eine Fehlanpassung. Dabei kann die Antenne den Strom bzw. die Spannung nicht vollständig aufzehren, und ein Teil davon läuft in die Leitung zurück. Ist die Leitung offen oder kurzgeschlossen, wird die elektromagnetische Welle am Ende völlig reflektiert, und man spricht von Totalreflektion.

Ein Maß für die Anpassung ist der Welligkeitsfaktor s oder das Stehwellenverhältnis VSWR, das aus den Amplituden von hin- und rücklaufender Welle bestimmt wird.

(33)


1.3.9. Bandbreite

Die Bandbreite einer Antenne beschreibt das Frequenzintervall in dem die elektrischen Eigenschaften dieser Antenne konstant bleiben bzw. sich nur um zulässige Werte ändern. Dazu gehören in erster Linie

Man spricht allgemein von einer Breitbandantenne, wenn innerhalb einer Oktave das Stehwellenverhältnis den Faktor 2 nicht überschreitet [14].

(34)

Als Maß der Bandbreite wird bei Schmalbandantennen das Verhältnis von Arbeitsfrequenzintervall zur Mittenfrequenz in Prozent angegeben:

(35)

Bei Antennen mit größerer Bandbreite als das Verhältnis von oberer Grenzfrequenz zur unteren Grenzfrequenz:

(36)

Die Werte für fo und fu sind abhängig vom Typ und Einsatz der Antenne. Meistens werden die beiden Eckfrequenzen aufgeführt, in deren Bereich das Stehwellenverhältnis einen bestimmten Wert nicht überschreitet.

Bei Richtantennen ändert sich während entsprechender Frequenzvariation das Richtdiagramm und die Hauptstrahlungsrichtung oft mehr als die Eingangsimpedanz. Hier wird zur Bestimmung der Bandgrenzen die Formänderung des Richtdiagamms und vereinzelt der Abfall des Antennengewinns herangezogen.

Oberhalb einer bestimmten Frequenzgrenze wird die Polarisation von zirkular polarisierten Antennen zunehmend elliptisch. Zur Definition der Bandbreite wird hier ein Achsenverhältnis der Polarisationsellipse von 2:1 als Grenzwert benutzt.

http://www.wolfgang-rolke.de/antennas/ant_100.htm


2. Breitbandige Antennen

http://www.wolfgang-rolke.de/antennas/ant_200.htm


3. Ausführungsformen von Breitbandantennen

http://www.wolfgang-rolke.de/antennas/ant_300.htm


4. Entwicklung einer log.-per. Dipolantenne

http://www.wolfgang-rolke.de/antennas/ant_400.htm



300_d_Rolke-x_Theoretische Untersuchung von Breitbandantennen - Theoretische GRUNDLAGEN_1a.pdf




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