Crashkurs Antennen

[spacejay]

Hallo Zusammen,

Ich habe für meine Temperatur Funksender einen JeeLink Clone (Arduino+RFM12) gebaut. Als Antenne habe ich einen einfachen Draht mit 8,6cm Länge genommen. Funktioniert alles wunderbar, ich empfange im Keller das Signal diagonal aus dem Obergeschoss.

Nachdem das so gut geklappt hat, wollte ich für meine Zisterne auf Basis von MySensors (Arduino+RFM69) eine Füllstandsanzeige realisieren. Gateway und Sensor Node funktionieren auch. Verwendet habe ich wieder einen 8,6 cm langen Draht. Leider ist hier die Reichweite sehr bescheiden. Der Sensor Node liegt in meinem Verteilerkasten für die Rasensprinkler, die von einem Homematic Relaismodul gesteuert werden. Das Modul funktioniert aber ohne Probleme, obwohl auch hier nur ein einfacher Draht als Antenne verbaut ist. Alles läuft mit 868Mhz. Deswegen verstehe ich nicht, warum ich hier solche Unterschiede beim Empfang habe.

Deswegen wäre es schön, wenn ihr ein paar Tipps für mich habt bzw. ein paar Hinweise, warum die Reichweite der verschiedenen Systeme so unterschiedlich ist.

Danke und Gruß
Christian

[juergs]

Verteilerkasten (aus Metall?) = Faraday'scher Käfig?

Evtl. kannst Du an der Antenne ebenfalls optimieren:
http://der-bastelbunker.blogspot.de/2011/01/70cm-halbwellendipol-selbst-gebaut.html
http://www.stall.biz/project/externe-ccu-antenne-mehr-reichweiteweniger-fehlermeldungen
oder:
https://forum.fhem.de/index.php/topic,55274.msg470483.html#msg470483
oder:
http://www.stall.biz/project/externe-flachantenne-fuer-die-homematic-und-vergleich-mit-anderen-loesungen
http://fhem.de/cul_rfr.jpg

Das Wesentliche:
http://www.fhemwiki.de/wiki/CUL#Antenne

Der RSSI-Wert gibt Auskunft über die Empfangsstärke, je näher an 0 der negative Wert (je "größer")  ist, desto besser.

Evtl. lässt sich Dein Problem auch mit einem zusätzlichen "Radial" in Richtung Deines Empfängers an Masse des Senders angebracht, lösen. -> Richtwirkung!
Die Verwendung eines Dipols hat aber schon wesentliche Verbesserungen (RSSI um 10..20 besser) gebracht.

Grüße,
Jürgen

PS: Die Beispiele sind für 433 MHZ, lassen sich aber durch Anpassung der Länge auf den 868MHz-Bereich ebenso anwenden.
... und: du hast Dein eigentliches Problem nicht ausformuliert. 

@2:59:
https://www.youtube.com/watch?v=jJK1dMmeWlQ

[tante ju]

Hallo Zusammen,

Ich habe für meine Temperatur Funksender einen JeeLink Clone (Arduino+RFM12) gebaut. Als Antenne habe ich einen einfachen Draht mit 8,6cm Länge genommen. Funktioniert alles wunderbar, ich empfange im Keller das Signal diagonal aus dem Obergeschoss.

Nachdem das so gut geklappt hat, wollte ich für meine Zisterne auf Basis von MySensors (Arduino+RFM69) eine Füllstandsanzeige realisieren. Gateway und Sensor Node funktionieren auch. Verwendet habe ich wieder einen 8,6 cm langen Draht. Leider ist hier die Reichweite sehr bescheiden. Der Sensor Node liegt in meinem Verteilerkasten für die Rasensprinkler, die von einem Homematic Relaismodul gesteuert werden. Das Modul funktioniert aber ohne Probleme, obwohl auch hier nur ein einfacher Draht als Antenne verbaut ist. Alles läuft mit 868Mhz. Deswegen verstehe ich nicht, warum ich hier solche Unterschiede beim Empfang habe.

Deswegen wäre es schön, wenn ihr ein paar Tipps für mich habt bzw. ein paar Hinweise, warum die Reichweite der verschiedenen Systeme so unterschiedlich ist.

Oh, das können viele Dinge sein. Zwei einfache:
Zum einen ist es der reine Signalweg. Kann es sein, daß das Signal Erdreich durchdringen muß, weil die direkte Verbindung dadurch führt (Sender im Ventilkasten, Empfänger im Keller)? Im Haus hast Du Reflexionen, die dem Signal helfen das Ziel zu erreichen. Aber draußen?

Nächste Frage, da Du einfache Drähte verwendest: Sind die Antennen gleich ausgerichtet? (also zeigen beide nach oben oder beide im gleichen Winkel von der senkrechten)? Ein Polarisationsunterschied frißt Leistung.

[juergs]

https://de.wikipedia.org/wiki/Dipolantenne

https://de.wikipedia.org/wiki/Groundplane-Antenne

[juergs]

Noch ein Thema zu den Antennen-Längen und Verkürzungsfaktor (!):

Um einen λ/2-Dipol exakt resonant zu machen, muss ein Verkürzungsfaktor von 0,96 gegenüber der Freiraumwellenlänge angewandt werden

Bedeutet: die Antennen müssen prozentual kürzer, als die reine Berechnung über die Wellenlänge sein!

Abgesehen von der kapazitiven Belastung durch Bodennähe, die natürlich auch die Antenne verlängert, hat das Dieelektrikum isolierter Drähte einen grossen Einfluss.
Kleine Verkürzungsfaktoren von 0,93 sprechen für dieelektrische Verluste im Isolationsmaterial.
Selbst Alurohre mit 20mm Durchmesser kommen da noch nicht ran.

Gerade bei bodennahen Antennen hat die Aufbauhöhe einen wesentlichen Einfluss auf die Resonanzfrequenz, bzw. die Dipollänge.

[Omega-5]

Und noch Eins drauf. 
Auch die Impedanz (Wellenwiderstand) hat einen Einfluss. Die Impedanz der meisten Funkmodule liegt bei 50Ohm. Daher auch das "Ringelschwänzchen" bei Jürgens Dipol.
https://forum.fhem.de/index.php?action=dlattach;topic=55274.0;attach=54804;image

Vieleicht auch hier nochmal schauen:
https://forum.fhem.de/index.php/topic,45594.msg390162.html#msg390162

Gruß Friedrich

[betateilchen]

Man sollte auch die Serienstreuung in der Prouktionstoleranz der Funkmodule selbst nicht ausser acht lassen. Nach meiner Erfahrung ist die Antenne in den seltensten Fällen die Ursache für solche Probleme.

[spacejay]

Also der Verteilerkasten ist aus Plastik und enthält wie bereits erwähnt ein Homematic Funkrelais. Die CUL dazu liegt neben dem MySensors Gateway. Beide haben nur einen Draht als Antenne. Homematic funktioniert ohne Probleme auf die Entfernung, MySensors nicht. Habe auch schon eine Dipolantenne ausprobiert (ein Draht 8,2 cm am Antennenanschluss und einen 8,4 cm an Masse, beide in einer Linie) leider ohne Verbesserung (ich hoffe ich habe das Prinzip richtig verstanden). Was mich nur eben wundert, das Homematic auf der gleichen Stecke funktioniert ....


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[spacejay]

Noch ne Frage: Warum ist die Antenne von Homematic nur 6,8 cm lang? Im geraden Teilstück (nur das ist effektiv?) nur 5 cm. Soweit ich weiß arbeitet Homematic auch mit 868Mhz. Am Verkürzungsfaktor? Dann müsste sie doch trotzdem länger sein...

(http://uploads.tapatalk-cdn.com/20160716/97a5b75cbe2bebf32156e8ee8203cc7e.jpg)

[juergs]

Vielleicht zählt die Leiterbahn zur Antenne noch zur effektiven Länge dazu?

The Short Whip
A  simple  alternative  to  the  whip  is  to  make  it  shorter  than  a 
quarter  wavelength  and  add  an  inductor  near  the  base  of  the 
whip to compensate for the resulting capacitive reactance. The
inductor can be made by coiling up part of the whip itself. This   
type of antenna can have performance nearly equal to that of a
full size whip.   
RFM uses such a design for the wire antennas that are supplied
with  our  demonstration  boards.  Details  of  the  design  can  be 
found  in  the  HX/RX  portion  of  the  Product  Data  Book.  The 
RFM  short  whip  is  optimized  for  under-sized  groundplanes. 
When tested on the edge of a small board, gain was only 3 to
4dB less than a full sized whip and groundplane.

The Helical (Coil)
This is similar to a spiral that is not flattened. Start with a
piece  of  wire  that  is  2  or  3  times  longer  than  a  whip  and 
wind  it  into  a  coil.  The  number  of  turns  on  the  coil  will 
depend on wire size, coil diameter, and turn spacing. The
coil will need to be cut to resonate, and can be fine tuned
by  spreading  or  compressing  the  length  of  the  coil. 
If  the  coil  is  wound  tightly  enough,  it  may  be  shorter  than 
one-tenth  of  a  wavelength.  This  antenna  tunes  sharply, 
requiring  care  in  tuning.  The  real  part  of  the  antenna 
impedance  is  less  than  20  ohms,  and  depends  on  the  size 
of the coil and its orientation to ground.   
For  433.9  MHz,  we  wound  14  turns  of  22  gauge  wire 
around  a  0.25  inch  (6  mm)  form.  When  tuned,  it's  length 
was  just  under  one  inch.  The  proximity  of  this  coil  to 
ground  makes  a  big  difference  in  performance.  When  the 
coil  runs  near  and  parallel  to  ground,  maximum  gain  is 
only  -18  dBd.  When  the  loose  end  of  the  coil  was  pulled 
away  from  ground,  as  shown  in  the  alternate  version 
drawing, gain increased to -5.5  dBd,  and  the  null  became 
deeper.    The  big  problem  with  this  antenna  is  the  mechanical 
construction  and  it's  bulky  size.  It  can  be  easily  de-tuned 
by nearby objects, including a hand, so it may not be good
for hand-held use

Danke für den Hinweis!

[spacejay]

Also, ich habe jetzt im ersten Schritt meine Antenne auf 6,8cm gekürzt. --> Kein Signal
Dann auf ca. 5 cm gekürzt--> Signal bis zum Verteilerkasten. Warum funktioniert das? Das ist doch meilenweit weg von Lamda/4...


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[juergs]

Tja =>  Theorie != Praxis !

Theorie ist, wenn man alles weiß und nichts funktioniert.

Aber im Ernst:

Man sollte auch die Serienstreuung in der Prouktionstoleranz der Funkmodule selbst nicht ausser acht lassen

Wie wahr!

Vielleicht könnte man am Empfänger noch Anpassungstechnisch was tun. Vieleicht verschiebt die Verkürzung durch Verstimmung des Resonanzkreise die Mittenfrequenz in den
sensibleren Bereich des Empfängers? Bliebe die Frage ob das das Optimum wäre?

-> SDRSharp oder so lassen, wenn's geht. 

PS: Mein Groundplane-Versuch, muss aber noch warten bis ich ein SMA-Kabel zur Verfügung habe. Dann kann ich mal den Vergleich zum Dipol posten ...

[betateilchen]

Tja =>  Theorie != Praxis !

Praxis ist, wenn alles funktioniert und keiner weiss, warum.

An die Homematic Komponenten kannst Du auch einen nassen Schnürsenkel als Antenne knoten, das funktioniert genausogut wie mit 5cm oder 6,3489721cm oder 8cm Placebo-Drahtantenne.

[juergs]

Ha, ja oder die Pollindosen mit 3mm Antenne!

[spacejay]

Also ich glaube nicht, dass die 5cm Zufall sind. Für meine Homematic habe eine CUL von Busware. Ich hab mir gerade nochmal die möglichen Antennen im Shop angesehen. Und siehe da, es gibt ne 5cm, eine 15cm und eine 36cm Variante. Das kann doch kein Zufall sein, oder? Weiß jemand zufällig, wie man mit MySensors den RSSI Wert ausgeben kann? Dann könnte man die Antennen und die Längen besser vergleichen.


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