Um ein drahtloses Gerät mit einer Antenne auszustatten, müssen mehrere Entscheidungen getroffen werden. In diesem Artikel, Teil 1 einer zweiteiligen Serie, beleuchten wir einige der wichtigsten Merkmale, die bei der Auswahl einer geeigneten Antenne wichtig sind. Wir befassen uns mit der Antennenterminologie und den Spezifikationen, auf die Sie bei der Durchsicht eines Datenblatts stoßen werden. Zu den Themen gehören der Frequenzbereich, in dem das Gerät arbeitet, der Antennengewinn und das Strahlungsdiagramm. Mechanische Faktoren wie Schutz gegen Eindringen, interne oder externe Platzierung und Montagemethode sind ebenfalls wichtig.
Eine gute Antenne ist für den Aufbau einer zuverlässigen Funkverbindung unerlässlich
Jeder kennt das Problem schlechten Smartphone-Empfangs in abgelegenen Gebieten oder in Häuserschluchten. Manchmal hilft es dann, das Gerät hochzuhalten, ein paar Meter weiter zu laufen oder sich ans Fenster zu stellen. Die Leistung einer Funkverbindung wird verbessert, wenn sich keine Hindernisse zwischen Sender und Empfänger befinden. Bäume, Mauern und das Gelände absorbieren Funksignale und sogar das Wetter hat einen maßgeblichen Einfluss auf die erreichbare Distanz – jedenfalls was eine unterbrechungsfreie, schnelle Verbindung betrifft. Dabei ist es egal, ob Daten oder Sprachsignale übertragen werden. Die erzielbare Empfangsqualität und Reichweite hängt maßgeblich auch von der Ausstattung mit einer gut angepassten Antenne ab. Eine optimale Antenne in der Endstufe des Senders sorgt zum einen für in Höchstmaß an Abdeckung und Reichweite. Beim Empfänger wiederum muss die Antenne auf die jeweilige Frequenz angepasst sein, ansonsten nützt ein starkes Signal wenig. In Teil 2 dieser Serie wird erläutert, dass zusätzliche Dämpfung im Verbindungskabel und den Steckverbindern negativen Einfluss auf die Antennenleistung haben kann, so dass die Signalstärke in den Keller geht.
Antennenparameter
Dem Prinzip nach ist eine Antenne ein Stück Draht. Dessen Länge muss auf den Frequenzbereich des Gerätes abgestimmt sein, in dem sie zum Einsatz kommt. Da sich elektromagnetische Funkwellen immer mit Lichtgeschwindigkeit (c) ausbreiten, 299.792.458 m/s, ergibt sich die Wellenlänge zwanglos, indem man c:f teilt. Passt man nun die physische Länge und die Eigenschaften einer Antenne an die Wellenlänge an, dann führt dies zum Resonanzpunkt. Ein 2,4 GHz Wi-Fi-Signal hat hiernach eine Wellenlänge von 12,5 cm. Die Länge einer Antenne wird im Verhältnis zu ihrer Betriebswellenlänge beschrieben, z. B. Viertelwelle, Halbwelle oder Vollwelle.
Die meisten heute verwendeten drahtlosen Daten- und Sprachkommunikationsmethoden wie Wi-Fi, Bluetooth, Mobilfunk (4G – 5G) und ISM-Anwendungen (Industrie, Wissenschaft und Medizin) arbeiten mit Frequenzen von 400 MHz bis 3,4 GHz. Bei diesen Frequenzen wird die physische Länge der Antenne immer kürzer, was verschiedene Konstruktionsmethoden, einschließlich der Herstellung auf einer Leiterplatte, ermöglicht.
Viele Antennen, insbesondere für Anwendungen in den Bereichen Automobil, Transport und Telemetrie, sind mit mehreren Antennen ausgestattet, um Wi-Fi, GPS/GNSS, Fahrzeug-zu-Fahrzeug/Fahrzeug-zu-Infrastruktur/Fahrzeug-zu-alles (V2V/V2I/V2X) und LTE-Mobilfunkkommunikation zu ermöglichen. Ein Beispiel ist der Taoglas Optimus MA220. Siehe Abbildung 1. Diese extern montierte Antenne ist nach IP67 wasserdicht.
Antennengewinn: Einige Antennen sind aufgrund ihres Designs und ihrer Konstruktion effizienter bei der Abstrahlung und beim Empfang als Standardantennenmodelle. Auf dem Datenblatt wird dieser Faktor als Gewinn angegeben und in dBi (dB isotrop) gemessen. Abbildung 2 veranschaulicht beispielsweise die Leistung der Taoglas MA220 für die LTE-Mobilfunkkommunikation.
Strahlungsdiagramm: Einige Antennen haben Richtcharakteristiken, d.h. sie strahlen und empfangen vorrangig in bestimmte Richtungen oder in bestimmten Ebenen. Eine Antenne mit einem isotropen Strahlungsdiagramm bedeutet hingegen, dass sie in alle Richtungen die gleiche Energiemenge abstrahlt. Eine Rundstrahlantenne strahlt die gleiche Energiemenge in einer bestimmten Ebene ab, horizontal oder vertikal.
Antennenimpedanz: Die Impedanz einer Antenne ändert sich mit der Frequenz. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Antenne an die Ausgangsimpedanz der Leistungsendstufe des Senders und des Frontends des Empfängers anzupassen. In Teil 2 dieses Artikels werden wir auch erfahren, dass die Impedanz des Verbindungskabels und der Steckverbinder ebenfalls entscheidend für eine gute Anpassung ist. Eine Impedanz von 50 Ohm ist ein gängiger Standard.
Antennenbandbreite: Der Frequenzbereich, in dem die Antenne wirksam ist, wird als Bandbreite bezeichnet. Die Bandbreite wird in der Regel auf der Grundlage einer Mittenfrequenz angegeben. Ein Beispiel für eine PCB-Antenne ist die Molex Wi-Fi PCB-Antenne.
Sie hat eine Bandbreite von 100 MHz bei einer Mittenfrequenz von 2,45 GHz, eine Impedanz von 50 Ohm und einen Gewinn von 3,2 dBi.
VSWR und Rückflussdämpfung: Die Rückflussdämpfung misst, wie gut eine Antenne an einen Sender und seine Übertragungsleitung (das Koaxialkabel) angepasst ist. Die Rückflussdämpfung misst, wie viel Leistung zurück zum Sender reflektiert wird, anstatt abgestrahlt zu werden, und wird in dB gemessen. Je höher die (negative) Zahl ist, desto besser ist die Leistung der Antenne. Das Stehwellenverhältnis (VSWR) ist eine weitere Methode zur Messung der Rückflussdämpfung. Eine Antenne sollte eine Rückflussdämpfung von mehr als -10 dB haben (VSWR 2). Abbildung 4 veranschaulicht die Rückflussdämpfungseigenschaften der Taoglas GA110 Mobilfunkantenne.
Messung der Antennenparameter
Ein Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) wird zur Messung der Impedanz- und Rückflussdämpfungseigenschaften einer Antenne und ihrer Übertragungsleitung verwendet. Tragbare, preiswerte VNAs (< 150 Euro) bieten eine ausreichende Messauflösung, aber ein professionelles Tischgerät, das mehr als 5.000 Euro kostet, ist für die Arbeit im Labor besser geeignet. Hochwertige HF-Spektrumanalysatoren verfügen häufig über eine VNA-Funktion. Ein VNA hilft auch bei der korrekten Auslegung von kapazitäts- und induktivitätsbasierten Anpassungsnetzwerken zwischen dem Sender und der Übertragungsleitung.
Antennen-Datenblatt-Parameter: kein Geheimnis mehr
In diesem kurzen Artikel werden einige der wichtigsten Parameter erläutert, die Ihnen in einem Antennen-Datenblatts begegnen könnten. Mit diesen Informationen erhalten Sie einen besseren Einblick in die beste Antenne für Ihre Anwendung, die optimale Leistung bietet. In Teil 2 werden wir uns mit der Rolle von Antennenkabeln und gängigen Antennensteckern befassen.
