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LoRa/Helium Antennen

LoRa/Helium Antennen und Zubehör

Mit den richtigen Antennen die Reichweite von LoRaWAN und Helium-Netzen verbessern

Was ist diese LoRa-Technik?

Messdaten unkompliziert zu übertragen und das möglichst von überall – das ist die Idee hinter dem Internet of Things (IOT). Dazu benötigt man Funktechnik mit guter Reichweite und geringem Stromverbrauch. Diese zwei Merkmale bilden die Kernidee hinter der LoRa-Technik bzw. den LoRaWAN-Netzwerken.

LoRa steht für Long Range, also große Reichweite und bezeichnet zunächst nur eine spezielle Modulationsart für Funksignale. Diese Modulation ist so gewählt, dass sie bei geringer Leistung große Reichweiten erzielt - auch durch Gebäude hindurch. Allerdings ist die Datenmenge sehr eingeschränkt und es stehen nur sehr geringe Geschwindigkeiten zur Verfügung. Das ist also keine Technik für die Sprach- oder gar Video-Übertragung. Bei Messdaten wie Füllständen von Behältern, Bodenfeuchte oder Temperatur fallen nur wenige Bytes an Daten an. Da ist eine geringe Geschwindigkeit und auch eine hohe Latenz unproblematisch.

Von LoRa zum LoRaWAN

Das LoRa-Signal geht also immer von einem Sensor aus. Die Vermittlung erfolgt über LoRa-Gateways, im einfachsten Fall sind das Empfänger, die eine bestimmte Region abdecken. Das Gateway leitet die per LoRa-Funk aufgenommenen Daten über ein Netzwerk (LTE, WLAN, Ethernet…) an einen Server weiter, wo sie der Betreiber des Sensors dann abrufen und auswerten kann. Diese gesamte Infrastruktur aus Sensor (auch ‚Node‘ genannt), den Gateways und einem oder mehreren Servern bezeichnet man als LoRaWAN, also Long Range Wide Area Network. Es gibt mehrere Betreiber von LoRaWAN-Netzwerken, die teilweise geschlossene Benutzergruppen bedienen, teilweise aber auch jedermann offenstehen. Beispielhaft seien „The Things Network (TTN)“ oder „The People's Network“ (aka Helium, mehr dazu unten) genannt. Andere Betreiber sind einige der bekannten Mobilfunk-Provider. Sofern nur ein kleines, eigenes Gelände versorgt werden soll, kann man die gesamte Infrastruktur auch privat aufbauen. Man ist also nicht immer auf einen Provider angewiesen.

Antennen verbessern die Reichweite

Die LoRaWAN-Technik nutzt derzeit ausschließlich den lizenzfrei nutzbaren Frequenzbereich bei 868 MHz. Und wie bei jeder Funktechnik kann man mit den richtigen Antennen und passendem Zubehör wie guten Kabeln die Reichweite drastisch steigern. Darum geht es hier bei WiMo – gute Reichweite mit den passenden Antennen und dem passenden Zubehör!

Die Antenne am Sensor

Bei den Sensoren kann man nur mit Einschränkungen bessere Antennen verwenden. Meistens müssen Rundstrahl-Antennen verwendet werden, weil nicht bekannt ist, in welcher Richtung sich das nächste Gateway befindet. Man kann aber immer eine bessere Rundstrahlantenne verwenden und diese mit einem Kabel etwas besser anbringen, als es die kleine Antenne am Sensor selber ermöglicht.

Die Antenne am Gateway

Da sich die allgemeine LoRaWAN-Technik und das weitverbreitete Helium Netzwerk in dieser Hinsicht nicht unterscheiden, folgen hier unsere Tipps für das Helium-Netzwerk. Sie gelten aber generell für alle LoRaWAN-Netze auf 868 MHz.

Welche Antenne für Helium ist die Beste?

Wie immer - das kommt drauf an. Aber es ist gar nicht kompliziert.

Ganzes Gebiet

Wenn das ganze Gebiet um den eigenen Standort herum versorgt werden soll, und wenn die Antenne möglichst frei stehen kann, dann ist ein ganz normaler Rundstrahler wahrscheinlich die beste Wahl. Nicht zu hoch aufgebaut, etwas weg von der Wand, dem Dach oder anderen massiven Bauteilen wie Mauern, Klimaanlagen. Wichtig auch, möglichst freie Sicht der Antenne auf das auszuleuchtende Gebiet. Das kann man z.B. unter https://explorer.helium.com prüfen.

Bestimmter Bereich

Wenn nur ein bestimmter Bereich versorgt werden soll, weil man zum Beispiel am Rande eines Dorfes wohnt, ist eine Richtantenne eine gute Wahl. Man darf dabei nicht vergessen, dass die Rückseite der Antenne so gut wie kein Signal abstrahlt. Dort kann also fast kein Signal empfangen werden oder Sensoren mit einer sehr geringer Entfernung. Dafür geht es nach vorne, in die Zielrichtung, umso besser und weiter.

Welchen Gewinn sollte eine Antenne für Helium haben?

Zunächst mal was Grundsätzliches: Eine Antenne ist kein Wunderding, kein 'perpetuum mobile'. Sie erzeugt keine Energie aus dem Nichts. Eine Antenne nimmt die eingespeiste Sendeenergie und strahlt sie möglichst vollständig ab. Die simpelste Antenne der Welt, ein perfekter Rundstrahler, strahlt in alle Richtungen gleichmäßig ab, in Form einer Kugel. So eine Antenne hätte '0 dBi' Gewinn. Alle anderen Antennen mit Gewinn > 0 dB verformen das Strahlungsfeld und bündeln die Energie in eine bestimmte Richtung - mehr nicht. Wieviel stärker die messbare Energie in diese Vorzugsrichtung ist, wird mit dem Gewinn einer Antenne angegeben. Es ist als ein Faktor wie "ist doppelt so stark wie die perfekte Rundstrahlantenne".

Rundstrahler

Ein einfacher Vergleich: Eine Kerze strahlt schwach aber in alle Richtungen. Ein Leuchtturm strahlt auch rundherum in alle Richtungen, aber nicht nach oben oder unten. Dafür ist das Licht genau in der Ebene der Lichtquelle des Leuchtturms umso heller.

Eine Rundstrahl-Antenne mit Gewinn verformt das eigentlich kugelförmige Feld mehr in Richtung 'Donut', also in eine stark abgeflachte Kugel. Je mehr Gewinn, desto flacher wird diese Form. Zu flach - also zu viel Gewinn - ist aber auch wieder nicht gut, weil das Strahlungsfeld sehr platt werden kann und man bei etwas Höhe der Antenne über Grund unter Umständen über die Köpfe der Empfänger hinwegstrahlt. Dafür empfangen weit entfernte Antennen das Signal umso besser. Sie müssen nur auf der gleichen Höhe stehen.

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Richtantenne

Kerze und Autoscheinwerfer: Die Kerze strahl überall hin, der Autoscheinwerfer nur in einem kegelförmigen Bereich und nur wenig nach oben und unten.

Ein Richtstrahler mit Gewinn verformt das Feld sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung. Sprich - das Feld wird flacher und in eine bestimmte Richtung gebündelt. Je höher der Gewinn einer Antenne ist, desto stärker wird die Bündelung. Das heißt, das auch hier wieder zu viel Gewinn kontraproduktiv sein kann. Was nützt mir ein bleistiftdünner Richtstrahl der vielleicht 10km weit kommt, dort in der kleinen Fläche aber niemand sitzt, den ich erreichen kann? Schließlich soll ja bei Helium eine Fläche versorgt werden, und nicht ein einzelner, weit entfernter Punkt. Sehr gut geeignet sind sog. Sektor-Antennen. Also Richtantennen, die ein breites aber relativ flaches Feld erzeugen.

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Jetzt Butter bei die Fische: Wieviel Gewinn sollte eine Antenne für Helium nun wirklich haben?

Anwendung
dBi
Notiz
Rundstrahler

mit großem Höhenunterschied zur Gegenstelle, z.B. auf einem Kirchturm oder Mast

z.B. zur Versorgung eines Ortsteiles aus der Mitte heraus
3 – 5 dBi
Bei höherem Gewinn wird das Feld zu flach und strahlt über die Köpfe der Empfänger hinweg.
Rundstrahler

Rundstrahler mit geringem Höhenunterschied zur Gegenstelle (Mast im Garten, am Haus)

z.B. zur Versorgung des Häuserblocks oder des Campus.
5 – 8 dBi, maximal 12 dBi
Bei sehr hohem Gewinn bildet das Feld schnell viele 'Nullstellen' in die gewünschten Richtungen.
Richtantenne

in verschiedenen Höhen

z.B. zur Ausleuchtung eines Ortsteiles aus der Entfernung
Min. 5 dBi, gerne mehr.
Bei hohen Standorten nach unten neigen.

Wie hoch soll eine Antenne für Helium montiert werden?

Das ist eine Frage der Geometrie. Auf jeden Fall so hoch, dass keine unbefugten Langfinger an die Antenne oder Kabel gelangen können. Also mindestens 3m über dem Boden. Man kann eine Antenne auch im Lichtschacht des Kellerfensters montieren, kommt dann aber kaum über den eigenen Garten hinaus.

Ein Rundstrahler mit moderatem Gewinn kann durchaus in größerer Höhe angebracht werden, wenn man dafür einen geeigneten Platz findet. Ansonsten hängt es immer vom Gelände ab. Also davon wo meine ‚Kunden‘ sitzen, also die Sensoren und die anderen Gateways, die ich im Helium-Network ‚witnessen‘ möchte.

Falls nur ein Standort in großer Höhe zur Verfügung steht, und eine Richtantenne eingesetzt werden soll, so muss diese gegebenenfalls geneigt werden, um mit ihrer Ausstrahlung das gewünschte Gebiet abdecken zu können.

Die hohe Kunst des Antennenbaus kommt dann zum Tragen, wenn man mehrere Richtantennen zusammenschalten möchte, zum Beispiel um separate Gebiete mit nur einem Gateway zu erreichen. Hier kann man mit einem Verteiler (einem sog. Splitter oder 3dB Teiler) recht unkompliziert Antennen kombinieren. Dabei gilt es einige wenige Regeln zu beachten, und darüber beraten Sie unsere Antennenspezialisten gerne.

Jetzt Produkte entdecken

Wir hoffen, dass Ihnen der Text dabei helfen konnte, die richtige Antenne zu finden! Wir haben Ihnen ein paar Pakete zusammengestellt, mit denen Sie die Reichweite Ihres LoRaWAN und Helium-Netzes optimal gestalten können.
Viel Spaß dabei!

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