FTS Antennen Blog:
Mobilfunkantennen für 5G-Netze, LTE, 3G & Co.

Antennen verbessern Mobilfunk- & WLAN-Empfang

Ob nun Mobilfunkantennen für 5G- oder LTE-Anwendungen, WLAN-Antennen, Radar-Antennen, Sat-Antennen oder DABT-Antennen: Ohne erhält man einfach kein Signal! Auch wenn man im Smartphone, Tablet oder Bluetooth-Headset die Antenne nicht unmittelbar sieht, ist sie da. Aber was sind Antennen, wie funktionieren sie und wie ergibt sich der Gewinn einer Antenne? 5G Antennen werden für innen, für außen, für den PKW oder das Wohnmobil gebaut -  wir klären das Geheimnis

Kurzer Abriss zur Entwicklung der Antenne

Seit mehr als 100 Jahren gibt es Antennen. Der deutsche Physiker Heinrich Hertz experimentierte 1887 an Antennenmodellen und erbrachte den Beweis für die Wellenausbreitung im freien Raum. In den darauf folgenden Jahren gab es weitere namhafte Physiker, die sich mit der Wellenausbreitung und den Antennen beschäftigten. Einer von ihnen war z.B. Karl Rothammel, der auch Olaf Hennig auf seinem Weg zum Mobilfunk-Spezialisten maßgeblich beeinflusste.

Was ist eine Mobilfunk Antenne?

Antennen sind die Bindeglieder zwischen den elektrischen Geräten „Sender“ und „Empfänger“, die aus der Luft bzw. dem s.g. "Freiraum" die Strahlungsenergie aufnehmen. Die Antenne ist damit ein Anpassungsglied zwischen der Leitung (Antennenkabel) und dem "Freiraum". Die Antenne, die Umgebung zur Antenne mit Erdpotential, das Sende- und das Empfangsgerät müssen in Resonanz zueinander stehen. Dieses gesamte Gebilde wirkt in sich wie ein Schwingkreis.

Darstellung der Antenne als Übertragungselement nach Rothammel (© Karl Rothammel / Alois Krischke)

Unterteilung von Antennen

Es gibt viele Möglichkeiten, um die Antennen in Kategorien zusammenzufassen, wie etwa nach der Art der Erregung bzw. der Strahlung.

Spezifizierung von Antennen für den Mobilfunk

Bei der Spezifizierung von Mobilfunkantennen sind dann noch folgende Details besonders wichtig:

Die Antennen können natürlich noch nach weiteren Kriterien eingeteilt und unterschieden werden. Bei fast allen Zuordnungen gibt es dann jeweils Überschneidungen und entsprechende Grauzonen.

Antennenverstärker vs. Verstärkerantenne

Vielen unserer Kunden, die z.B. ihren Handyempfang verbessern möchten, fällt die begriffliche Abgrenzung zwischen dem Antennenverstärker und der Verstärkerantenne sichtlich schwer. Daher wollen wir hier einmal für Klarheit sorgen.

Der Antennenverstärker ist ein aktives Gerät, welches in die Antennenzuleitung zwischen Antenne und Empfänger (z.B. Router) bzw. Verteiler geschaltet wird. Diese s.g. Repeater sind also separate Geräte, die zusätzlich zu den Mobilfunk-Antennen und den Kabeln angeschafft werden müssen. Diese Verstärker können dann das Signal entweder direkt an Router und Koppler abgegeben oder aber via Innenantennen das verstärkte Signal im Gebäude verteilen.

Die Verstärkerantenne dagegen ist eine Komplettlösung, bestehend aus dem passiven Antennenelement und einem aktiven Verstärker. Beide Elemente sind in der eigentlichen Antenne untergebracht. FTS Hennig hat im Segment der aktiven Antennen verschiedene hauseigene Modelle entwickelt, z.B. die FTS 95720-5 (Innenantenne) und die FTS 95783-A (Außenantenne). Heute werden diese Verstärkerantennen nicht mehr gefertigt. Je nach Anwendungsfall gilt es zu entscheiden, welche Installation zu bevorzugen ist - generelle Aussagen können nicht getroffen werden.

Der Gewinn einer Mobilfunkantenne

Die Gewinnangaben für Router, Handys und die Internet-Verbindung haben für Verkäufer und ihre Werbung einen sehr hohen Stellenwert. Übereifrige Gesellen werfen mit dB- und dBi-Angaben nur so um sich. Dabei werden dem Kunden aber zumindest teilweise Versprechungen gemacht, die technisch gar nicht realisierbar sind. Gehäusegrößen, Verluste in Abhängigkeit von der Kabellänge etc. bleiben häufig völlig unberücksichtigt.

Technisch betrachtet stellt der Gewinn einer Antenne immer einen Vergleichswert dar. Der Gewinn ist nicht absolut messbar wie die Temperatur oder eine Länge. Es ist immer ein Vergleich zwischen der Antenne und dem Bezugsstrahler. Bei diesem gilt es wiederum, folgendes zu beachten:

Zwischen den jeweiligen Angaben liegen Differenzen:

0 dB entsprechen 2,5 dBi und

0 dBd entsprechen 2,15 dBi (nach Rothammel).

Aufgrund dieser Tatsachen muss man bei der Auswahl immer genau auf die Maßeineinheit achten und die Angaben auf ihren Realitätsbezug prüfen. Beispielsweise im LTE-Bereich addieren findige Amazon-Verkäufer bei den MIMO-Antennen den Gewinn des einen Strahlers zum Gewinn des zweiten Strahlers und werben dann mit astronomischen Gewinnangaben. Beim Versuch, den Mobilfunkempfang zu verbessern, erleben Kunden daher regelmäßig unschöne Überraschungen.

Wie entsteht der Gewinn einer Antenne

Bsp. für 0dB-Strahler (© Fotolia)

Man stelle sich einen Raum mit einer alten 40 Watt Glühlampe vor. Diese Lampe hat keinen Schirm und steckt einfach nur in der Fassung. Wenn wir das Licht einschalten, haben wir im Raum überall diffuses Licht. Es wird an keiner Stelle richtig hell, es ist aber auch nicht mehr dunkel. Das ist nun unser Vergleichsstrahler mit 0 dB Gewinn.

Jetzt bauen wir an die Glühlampe einen Reflektor, so ähnlich wie beim Autoscheinwerfer. Damit erreichen wir einen hellen, weiten Lichtstrahl. Dieser Lichtstrahl zeigt in eine Richtung. Die anderen Stellen werden dunkler. Dieses System verschafft uns im Sinne einer Richtantenne einen Gewinn.

Die Hauptstrahlrichtung haben wir mit dem Reflektor (heißt auch bei den Antennen so) klar definiert. Je mehr "der Lichtstrahl" gebündelt wird, umso höher ist der Gewinn der Antenne. Der Strahl wird heller und geht weiter. Im Mobilfunk spricht man äquivalent dazu von einer größeren Empfängerleistung.

Bsp. für Bündelung (© Fotolia)

Wir können damit wesentlich weiter entfernte Sender empfangen und unser Upload-Signal erreicht den Sendemast auch besser bzw. überhaupt erst.

Mit einer Antenne erzeugt man also keine neue oder zusätzliche Energie, sondern man bündelt einfach nur den Strahl so zielgerichtet wie möglich bzw. nötig in eine Richtung. Eine tatsächliche Verstärkung findet nur bei den oben beschriebenen Verstärkerantennen statt.

Die Größe einer Mobilfunkantenne

Der Empfangsstrahler muss in Resonanz zu der Sendefrequenz stehen. Je kleiner die Frequenz ist, umso größer muss der Strahler ausgebildet sein. Im CB-Funk, welcher bei 27 MHZ arbeitet, beträgt die Wellenlänge etwa 11 Meter. Daraus ergibt sich eine Strahlerlänge auf dem Fahrzeug als Lambda-Viertel-Strahler von 2,75 Metern. Im Mobilfunk arbeiten wir bei Frequenzen oberhalb von 800 MHz. Dementsprechend können die Strahlerelemente bis auf wenige Zentimeter schrumpfen.

Dadurch ergeben sich wesentlich kleinere Antennenkonstruktionen. Unsere hauseigene "LTE MIMO Mobil Antenne" (bestehend aus zwei Strahlern) arbeitet beispielsweise von 790 MHz bis 2600 MHz. Wir konnten die Antenne auf eine Fläche von 13,5 x 13,5 cm verkleinern. Das eigentliche Strahlerelement umfasst dabei nur die Abmaße von 5 x 10 cm.

Die Kleine, aber ganz groß: Die LTE MIMO Mobil (© FTS Hennig)

Mobilfunk Antennen & ihre Umgebung

Die Antennen werden beim Hersteller in einer idealen Umgebung getestet und auf diesen Ergebnissen basierend der Gewinn definiert. Diese idealen Bedingungen können in den seltensten Fällen beim Kunden realisiert werden. Verwendet man zum Beispiel eine Innenantenne für eine bessere Internetverbindung via 5G, so beeinflussen Wände, Möbelstücke, Fenster und sogar der sich bewegende Mensch die Empfangsverhältnisse der Antenne.

Die Antenne „muss atmen können“. Das heißt, dass sich die Antenne für einen optimalen Empfang immer im Außenbereich befinden sollte - frei von Bäumen, Sträuchern, anderen Häusern etc. Der beste Platz befindet sich daher immer möglichst weit oben, idealerweise z.B. auf dem Dach. Beim Senden (tun Sie auch, wenn Sie eine Anfrage stellen!) ist das Nahfeld um die Antenne sehr entscheidend. Die Welle muss sich von der Antenne lösen können und darf nicht sofort, zum Beispiel von einem Baum, reflektiert werden.

Obwohl wir natürlich sehr stolz auf unsere hauseigenen Entwicklungen und unsere zufriedenen Kunden sind, muss für jede individuelle Situation auf- und abgewogen werden, damit das optimale Ergebnis für bestmöglichen Empfang erzielt werden kann. Wir beraten Sie gerne unabhängig und empfehlen nicht etwa primär unsere eigenen Mobilfunkantennen - wir haben ausschließlich Ihre Zufriedenheit im Fokus!