YAGI Antenne für Wetterstation

Interne Antennen

Wie in meinem Artikel externe Antenne beschrieben kann man die Reichweite zwischen der Wetterstationskonsole und den Sensoren stark vergrössern, wenn man eine externe Antenne mit höherem Gewinn als die integrierte Stab- oder Platinen-Antenne verwendet. Zum Vergleich ziehe ich hier die integrierten Antennen der WS2200 und der VantagePo2 heran.

Vantage Pro 2

Die letztere verwendet eine koaxial gespeiste Stabantenne, die drehbar am Gehäuse des Datenkollektors angebracht ist. Diese Antenne wurde mit einem SMA Koaxialstecker versehen, der Sender erhielt ein kurzes Stück dünnes Koaxialkabel, z.B. RG 174 mit SMA Buchse, wie im Artikel externe Antenne beschrieben. Die Anpassung der Stabantenne kann nun gemessen werden, wie das Bild unten zeigt.

Die Anpassung der Antenne ist bei der Betriebsfrequenz von 868MHz mit 6dB ziemlich dürftig. 6dB bedeutet, dass ein viertel der Leistung an der Antenne reflektiert wird. Eine gute Antenne sollte eine Anpassung von mindestens 10dB aufweisen. Bei 868MHz hat man eine Wellenlänge von 345mm, λ/2 ist also 172mm, λ/4 entspricht 86mm. Die Stabantenne weist eine Länge von 13cm auf, liegt also irgendwo zwischen λ/4 und λ/2. Allerdings wird die elektrische Länge relativ zum Schlankheitsgrad und durch das Dielektrikum verkürzt. Ist die Antenne z.B. 5mm dick, so ist der Schlankheitsgrad s=L/d=345/5=69. Hier beträgt der Verkürzungsfaktor v ca. 0,9. Verwendet man eine auf eine Platine aufgedruckte Leitung als Antennenstab und hat die Platine einen typischen e r Wert von 2,2, so wird die Antenne nochmals um den Faktor 0,67 verkürzt. Dadurch erhält man einen totalen Verkürzungsfaktor von 0,67*0,9=0,6. Typisch werden für solche Geräte 5/8 λ eingesetzt, bei 868MHz sind das 216mm und mit dem Verkürzungsfaktor 0,6 erhält man 130mm, genau die Abmessungen des Monopols der Vantage Pro 2. Es handelt sich bei der Antenne also sehr wahrscheinlich um einen 5/8 λ Strahler. Eine solche Antenne hat einen Gewinn bei idealer Erde von ca. 4,5dBi. Da 5/8 λ keine resonante Länge ist, muss man die Antenne an das Koaxialkabel mit einer spule anpassen. Da ich keine Spule an der Antenne gefunden habe wurde Sie entweder in die Antenne integriert oder sie wurde ganz einfach weggelassen. Ausserdem sollte man eine ideale Erde mittels Radials (radial am Antennenfuss angebrachte Erdleiter) erzeugen. Da diese fehlen muss davon ausgegangen werden, dass der bestmögliche Gewinn dieser Antennenbauform nicht erreicht wurde. Das deuten auch die erreichten Empfangspegel an, die ich mit der integrierten Antenne im Vergleich mit einer externen 5dBi erzielen konnte.

Nach Rücksprache mit Davis habe ich nun auch die korrekten Werte erhalten, die die Zahlenwerte im Diagnostic Screen der Konsole anzeigen. Der angezeigte Wertebereich ist 20…59, wobei 20 dem kleinsten Empfangspegel von ca. -100dBm entspricht, den die Konsole noch auswerten kann. Nach Davis ist die Schrittweite 1.5dB, von 20 bis 60 sind es also 60dB, der maximal angezeigte Wert entspricht also -40dBm. Wichtiger als die maximalen oder minimalen Werte ist die Schrittweite beim vergleich der verschiedenen Antennentypen.

Die untenstehende Grafik verdeutlicht sehr schön die unterschiede im Empfangspegel bei der Verwendung verschiedner Antennentypen. Bei der integrierten Antenne sind in der vorhandenen Konfiguration typische Pegel um 29 zu erwarten, mit einer 5dBi Panel Antenne sind es Pegel um 34, also 5x1.5dB=7.5dB mehr. Mit der weiter unten beschriebenen YAGI Antenne sind es schon 41, also 7x1.5dB=10.5dB mehr. Das stimmt sehr gut mit dem unten vorausgesagten Antennegewinn der YAGI Antenne von 14.3dBi überein. Die interne Antenne hat demzufolge einen Antennengewinn um die -2dBi (7dB weniger als die 5dBi Panel Antenne).

WS2200

Bei der WS2200 ist die Antenne als gekrümmter, kapazitiv verkürzter Platinenstrahler ausgeführt (s. Abbildung unten). Bei 433MHz, der Betriebsfrequenz der WS2200, liegt eine Wellenlänge von 70cm vor. λ/4 hat also eine Länge von 17,5cm. Auf einer Platine mit einem εr von 2,2 wird die Antenne um den Faktor 0,67 auf 12cm verkürzt. Gemessen habe ich eine Länge von ca. 8cm, d.h. die Antenne ist kapazitiv nochmals um 33% verkürzt was sich auch in einem verringerten Gewinn um ca. 33%, das sind -1,5dB, niederschlägt (grobe Abschätzung). Die integrierte Antenne wird schätzungsweise um die 0dBi aufweisen. Da hier die Antenne direkt auf der Platine realisiert ist, wird ein an den Fusspunkten der Antenne angelötetes Koaxialkabel eine Fehlanpassung aufweisen, da eine solche Antennen eine symmetrische Fusspunktimpedanz von ca. 72Ω besitzt, das Koaxialkabel aber symmetrische 50Ω aufweist. Ich habe aber mit einem solchen Koaxialkabel (s. zweite Abbildung unten) die Ausgangsleistung des Senders gemessen und erreiche immerhin ca. 3dBm Sendeleistung am Ausgang des Koaxialkabels (s. Messung unten).

Um die Platzierung der Antenne noch flexibler zu gestalten, habe ich die Transmitter-Platine von der Hauptplatine getrennt und in ein separates Gehäuse platziert. Gerade beim Windmesser ist das ideal, da hier die Platzverhältnisse sehr eng sind und man nur bedingt Anschlüsse am Gehäuse anbringen kann, da das Gehäuse gleichzeitig als mechanische Halterung für den Windrichtungs- und den Windgeschwindigkeitsmesser dient. Bei Temperaturmesser kann man die Sensoren direkt in ein besseres Wetterschutzgehäuse montieren (wie in meinem Artikel über die WS2200 beschrieben), hier hat man also auch eine getrennte Funkeinheit. Beim Windmesser habe ich auch noch die externe Stromversorgung, i.e. die Batterien in dem gleichen Gehäuse platziert (s. Abbildung unten), da bei diesem Sensor die Solarzelle defekt ist.

Uda-Yagi Antennen im Selbstbau

Die Uda-Yagi oder kurz Yagi Antenne ist eine aus mehreren Stabelementen aufgebaute Richtantenne. Ein Dipol (Länge λ/2) regt ein paar vor ihm liegende Direktoren (kürzer als λ/2) an, wobei die Strahlung in Richtung der Stäbe gerichtet wird. Ein hinter dem Dipol liegender Reflektor (länger als λ/2) Reflektiert die Strahlung und sorgt dafür, dass der Gewinn in eine Richtung wirkt. Je mehr Direktorstäbe man verwendet, je höher wird der Gewinn. Die einzelnen Stäbe können entweder leitend oder isoliert an einem Baum befestigt werden. Ich habe untenstehend mit dem Programm Yagi Calculator von VK5DJ eine Yagi Antenne für den 433Mhz und den 868MHz Frequenzbereich berechnet und konstruiert. Dabei habe ich in beiden Fällen die isolierte Variante gewählt, da bei den von mit verwendeten eloxierten Alumium Rohre ein elektrischer Kontakt über die Zeit nur schlecht herstellbar ist. Der Dipol wurde als gefalteter Dipol mit Balun (Symmetrierglied vom Koaxialkabel auf den Antennendipol) ausgeführt. Die Länge des Baluns kann ebenfalls mit dem YAGI Calculator berechnet werden, ist aber ganz einfach ein λ/2 langes Kabelstück (unter Berücksichtigung des εr des Kabels). Das eine Ende des Innenleiter wird mit der Speiseleitung zusammen an das eine Ende des Faltdipols gelötet werden, das andere Ende des Innenleiter wird mit dem anderen Ende de Faltdipols verbunden (s. Abbildung unten, 868MHz YAGI). Die Massen werden alle zusammengelötet.

Die beiden Antennen wurden so ausgelegt, dass Ihre Baulänge nicht über einen Meter hinausgeht, um einfach erhältliche Materialien einzusetzen. Dabei kann man bei 868MHz mit 9 Direktoren einem Gewinn von 14dBi erzielen. Bei 433MHz kann man mit 5 Direktoren immerhin einen Gewinn von 12dBi erreichen. Der Gewinn relativ zur integrierten Antenne kann also mindestens verzehnfacht werden.

Wie aus der obenstehenden Grafik ersichtlich ist bei der 433MHz Yagi bei der Betriebsfrequenz eine Anpassung von ca. 12dB (Marker 5) vorhanden. Die beste Anpassung liegt knapp oberhalb 400MHz, die Antenne kann zwischen ca. 390MHz und 450MHz (Marker 1 und 2) eingesetzt werden. Die beiden Kurven zeigen die Anpassung bei vertikaler Polarisation (Stäbe stehen senkrecht zum Erdboden, gelbe Kurve) und horizontaler Polarisation (Stäbe parallel zum Erdboden, grüne Kurve).

Auf der untenstehenden Grafik ist das Verhalten der 868MHz YAGI Antenne zu sehen. Bei der Betriebsfrequenz ist eine sehr gute Anpassung von 20dB vorhanden, die Antenne kann ca. zwischen 750MHz und 900MHz eingesetzt werden. Diese Kurve zeigt nur die Vertikale Polarisation, da die Stabantennen der VP in der Normal-Lage ebenfalls vertikal polarisiert sind.

--- Der Autor und Publisher dieser Seite ist Bernd Margotte ---