WLAN-Antennen richtig positionieren

Externe WLAN-Antennen sind eine starke Waffe in der Hand des Funknetzplaners: Manche Modelle eignen sich für die Nah-Versorgung Hunderte gleichzeitiger Surfer in einer großen Konferenzhalle. Andere wiederum sind auf die gezielte Fernversorgung eines einzigen Gebäudes in 20 Kilometer Entfernung spezialisiert. Grob gesagt gibt es drei Obersorten:

1. Omni-Direktionale Rundstrahl-Antennen: Sie verbreiten die Funkenergie ähnlich, wie eine herkömmliche Glühbirne das elektrische Licht abstrahlt: in der Form eines dicken Donuts, horizontal fast gleichmäßig über 360 Grad rundum in alle Richtungen, aber vertikal nur so hoch wie nötig.

2. Direktionale Sektor-Antennen: Sie verbreiten den WLAN-Funk wie eine Taschenlampe: in der Form einer Birne, mit fast identischen Öffnungswinkeln in der Horizontalen und in der Vertikalen, zum Beispiel mit 60, 90 oder 120 Grad.

3. Direktionale Richt-Antennen: Sie bündeln die Funkstrahlung viel stärker in die gewünschte Richtung, in der Form einer langen Gurke, ähnlich wie eine Fernlicht-Taschenlampe, mit spitzen Öffnungswinkeln ab circa 6 Grad in der Horizontalen und in der Vertikalen.

Im Gegensatz zu einer Glühbirne strahlt der WLAN-Funk auch noch durch mehrere Zimmerwände hindurch, je nach Material und Dicke des Gemäuers. Deshalb kann man ein kleines Büro oder eine kleine Wohnung in der Regel auch mit einem einzigen WLAN-Router mit eingebauter OMNI-Antenne von einem einzigen Punkt aus versorgen. Oft reicht es, den Rund-strahlenden WLAN-Router an einer beliebigen Stelle einer Wohnung, am besten einigermaßen mittig zu platzieren.

In vielen WLAN-Routern für Consumer stecken nämlich Rundstrahl-Antennen samt WLAN-Access-Point, DSL-Router, Modem, Firewall, Gigabit-Switch, DECT-Basis sowie Telefonanlage unter einer Haube, etwa bei vielen Fritzboxen von AVM. So eine eierlegende Wollmilchsau, die irgendwie fast alles kann, hat ihre Vorteile: Sie reduziert die Produktions-Kosten, aber auch die Komplexität der Installation für den Endverbraucher. Ihr Nachteil: Man muss sie nehmen wie sie ist, mit fest verbauten Rundstrahl-Antennen, die aber für die meisten kleineren Wohnungen völlig reichen.

Will man dagegen größere Häuser, Bürogebäude, Lagerhallen, Skilifte, Fußgängerzonen, Hotels, Messen, Kongresszentren oder Hörsäle nahtlos per WLAN versorgen, dann braucht man eine gute Auswahl an Rundstrahl-, Sektor- und Richt-Antennen. Je nach Einsatzort müssen die Antennen sogar Wind- und Wetterfest sein.

Dank dieser unterschiedlichsten Bedarfslagen haben viele Profi-Access-Points gar keine fest verbauten Billig-Antennen, sondern Anschlüsse für externe Spezial-Antennen. Sie werden direkt an den Access Point (AP) geschraubt, oder über Antennenkabel vom entfernten AP angesteuert.

Access Points mit externen Antennen-Anschlüssen geben dem Funkplaner viel größere Gestaltungs- und Optimierungs-Spielräume als APs mit fest verbauten Antennen.

Rundstrahl-Antennen für Donut-förmige WLAN-Zellen

Omni-Direktionale Antennen, auch OMNIS oder Rundstrahler genannt, werden gerne mittig in Räumen oder Hallen positioniert. Im besten Falle können sie alle umliegenden WLAN-Verbraucher wie Notebooks, Tablets, Smartphones, Drucker, WLAN-Telefone oder Gabelstapler gleich gut mit dem Wireless-Funk versorgen.

OMNIS für dicke Donut-Zellen bis 3 dBi

Rundumstrahler funktionieren denkbar einfach: Hält man ein Drähtchen in der Länge eines Fingers senkrecht in die Luft und führt die Energie aus einem 2,4-GHz-WLAN-AP zu, dann entsteht rund um das Drähtchen eine WLAN-Funkzelle in der Form eines dicken Donuts.

Wird das Drähtchen auch noch mit Plastik umgossen und am unteren Ende mit einem Gelenk samt SMA-Gewinde ergänzt, dann entsteht ein externer Antennen-Stummel, auch WLAN-Dipol-Antenne genannt. Solche Antennen haben oft einen Antennengewinn von 2,2 dBi. Es gibt sie ab drei Euro.

Mit derart einfachen Antennen kann man einen funktechnisch unkomplizierten Raum recht gut mit WLAN versorgen und mehrere WLAN-Surfer im näheren Umfeld bedienen.

OMNIS für flache Donut-Zellen bis 6 dBi

Drückt man von oben auf den Teig eines dicken Donuts, dann wird er dünner, aber sein Durchmesser nimmt zu. Die Menge des eingesetzten Teiges bleibt dabei aber unverändert.

So etwas Ähnliches klappt auch mit WLAN-Zellen, wenn man mehrere Dipol-Drähtchen in der Rundstrahler-Antenne kombiniert. Der Radius der Zelle wird dadurch größer, die horizontale Reichweite nimmt also zu, aber die vertikale Höhe der Zelle nimmt ab. Der Antennengewinn steigt auf circa 4 bis 6 dBi, nur durch die bloße Änderung der Antennenkonstruktion. Die eingesetzte WLAN-Energie muss dafür nicht verändert werden, genau wie die Menge des Teiges beim Donut-Gleichnis unverändert bleibt. Die insgesamt eingesetzte WLAN-Energie wird eben nur in die gewünschte Richtung umgelenkt.

Sektor-Antennen für Birnen-förmige WLAN-Zellen

Sektor-Antennen sind keine OMNI-Strahler, sondern Direktional-Antennen. Sie funken horizontal und vertikal in einem ähnlich starken Winkel, etwa mit 60 oder 90 oder 120 Grad. Oft setzt man eine 90-Grad-Sektor-Antenne in die Ecke eines Raumes, um ihn von dort mit WLAN zu bestrahlen.

Sektor-Antennen mit 120 Grad Strahlungswinkel kennt man auch von vielen Mobilfunkmasten unter freiem Himmel. Dort ergänzen sich oft drei Antennen mit jeweils 120 Grad zu einer 3x120=360 Grad Rundumversorgung für GSM, UMTS und LTE.

Solche Anordnungen gibt es nicht nur für 2G-3G-4G-LTE-Masten, sondern auch für WLAN-Projekte: Drei Wireless-LAN-Antennen mit jeweils 120 Grad (oder vier mit 90 Grad, oder sechs mit 60 Grad) lassen sich ebenfalls an einem Masten unter freiem Himmel oder an der Decke einer Halle zu einer lückenlosen 360-Grad-WLAN-Ausleuchtung kombinieren. Im Gegensatz zu einem einzigen 360-Grad-Rundstrahler bringt die Kombination aus mehreren Sektor-Antennen eine größere Reichweite. Das kann erwünscht sein, falls weit und breit nur ein zentraler Masten oder Montagepunkt zur Verfügung steht, von dem aus eine große Fläche versorgt werden muss. Viele Sektor-Antennen bringen typischerweise einen Gewinn von 8 bis 9 dBi.

Richt-Antennen für Gurken-förmige WLAN-Zellen

Direktionale WLAN-Richt-Antennen bündeln die Funkstrahlung stärker als WLAN-Sektor-Antennen, so ähnlich wie das Fernlicht eines Autos viel weiter strahlt als dessen Abblendlicht. Die resultierenden WLAN-Zellen gleichen der Form einer Gurke, mit einem eher spitzen Öffnungswinkel ab zirka 6 Grad.

Stark fokussierende WLAN-Richt-Antennen erreichen einen hohen Antennengewinn bis über 20 dBi. Die meisten sind nur für 2,4 oder für 5 GHz geeignet.

Richt-Antennen werden oft zur Installation von Point-to-Point-Strecken auf Dächern oder Masten eingesetzt. So lassen sich per WLAN bis zu 20 km entfernte Firmen-Standorte miteinander vernetzen.

Diversity-Antennen

In der Praxis kommen heute bei fast allen WLAN-Access-Points, aber auch bei vielen externen Antennen-Konstruktionen, mindestens zwei identische Antennen zum Einsatz. Der Grund: Durch Diversity-Verfahren will man unerwünschte Interferenzen minimieren. Und das geht so:

Da die identischen Antennen räumlich etwas voneinander entfernt sitzen, werden ihre ausgestrahlten Wellen unterschiedlich stark an Decken, Wänden, Böden und Metall-Flächen reflektiert. Damit haben sie unterschiedlich lange Wege zum WLAN-Empfänger und kommen dementsprechend auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit unterschiedlich guter Qualität am Ziel an.

Das WLAN-System schaltet nun immer blitzschnell auf diejenigen Antennen um, die gerade das bessere Signal mit dem höheren Signalpegel oder mit dem besseren Signal-Rausch-Abstand alias SNR liefern können. So können Diversity-Antennen helfen, unerwünschte Interferenz-Effekte zu reduzieren.

MIMO-Antennen

Access Points nach IEEE 802.11n und erst recht nach 11ac nutzen das MIMO-Multi-Connection-Multi-Antennen-Verfahren. MIMO steht für: Multiple Input Multiple Output. Dabei werden mehrere Antennen parallel zum Senden und Empfangen der Daten verwendet.

Verspricht ein WLAN-11n-AP einen Speed von brutto 450 MBit/s, dann braucht er dazu mindestens 3x3 MIMO; das bedeutet in der Praxis: drei gesonderte Antennen! Verspricht er 600 MBit/s, dann braucht er sogar 4x4 MIMO mit vier Antennen.

Das modernere WLAN-11ac bis 1300 Mbit/s mit stärkeren Kodierungs-Algorithmen benötigt in der momentanen Ausbaustufe ebenfalls 3x3 MIMO, sprich drei Antennen. Künftige Speed-Steigerungen von 11ac-Access-Points sind bis 8x8 MIMO angedacht: Die brauchen dann acht WLAN-Antennen.

Dualband-Antennen

Bisher haben wir aus Gründen der didaktischen Vereinfachung nur Access Points und Antennen betrachtet, die entweder nur bei 2,4 oder nur bei 5 GHz arbeiten. In der Praxis, ganz besonders im Consumer-Umfeld, gibt es aber immer mehr Dual-Band-Router mit komplett versteckten WLAN-Diversity-MIMO-Dualband-Antennen, die beide Frequenzbänder bei 2,4 und 5 GHz bedienen können. Die meisten Privat-Anwender wären genervt oder überfordert, wenn sie die jeweils perfekt passenden Antennen selber auswählen und positionieren müssten. Da schrumpft man lieber alles unter eine schicke Haube, in der Hoffnung, dass das günstig produzierte WLAN-Router-Massenprodukt schon einigermaßen zum Bedarf des Users passen wird.

Der professionelle Funkplaner muss dagegen selber darauf achten, dass seine externen Wireless-Antennen unter anderem auch alle Diversity- und MIMO- und Dualband-Fähigkeiten der eingesetzten WLAN-Access-Points unterstützen.

Outdoor-Antennen

Für raue Umgebungen gibt es auch wind- und wetterfeste Outdoor Access Points: Etwa für den Firmenparkplatz, für die Hotelterrasse, für den Hotelstrand, für Lagerflächen und Fabrikgelände unter freiem Himmel, für Bohrinseln in der arabischen Wüste, für Windkrafträder in der kalten Nordsee oder für Baggerschiffe beim Aufschütten von künstlichen Inseln vor Dubai.

In solchen Fällen kommt nicht selten das Ruggedized-Wireless-Equipment des deutschen WLAN-Herstellers Lancom Systems zum Einsatz, sagt deren Gründer und Geschäftsführer Ralf Koenzen. Es gibt bei Lancom Systems sogar APs mit eingebauter Heizung für eiskalte Regionen.

Manchmal kann man den WLAN-AP auch im geschützten Gebäude betreiben und nur die wetterfesten WLAN-Antennen im Freien montieren. Die Antennenkabel sollten dann aber, wegen der Dämpfung im Kabel, so kurz wie möglich bleiben.

Außerdem müssen WLAN-Antennen und APs im Freien mit einem professionellen Blitzschutz versehen werden, damit die Blitz-Energie nicht über Antennen- und Ethernet-Kabel ins Gebäude gelangen kann. Das gleiche gilt übrigens auch für private Rundfunk- und Fernseh-Antennen im Freien, auch wenn sie "nur" auf dem Balkon oder vor dem Fenster an der Hauswand montiert sind. (cvi)