Optimierung der Antennenleistung in kompakten IoT-Geräten durch die Masseebene

In der Welt der IoT-Geräte, in der die Komponenten immer kleiner werden, sind Mobilfunkantennen wesentliche Komponenten, die Konnektivität und Kommunikation ermöglichen. Die Einbettung einer effizienten Mobilfunkantenne in ein kleines Gerät ist jedoch nicht ohne Herausforderungen verbunden. Die Masseebene, eine entscheidende Komponente der Antennenleistung, spielt dabei eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag tauchen wir in die komplizierte und faszinierende Welt der Mobilfunkantennen für miniaturisierte IoT-Geräte ein und erklären, was die Masseebene mit der Antennenleistung zu tun hat.

Die Bedeutung von Mobilfunkantennen in IoT-Geräten

Mobilfunkantennen ermöglichen es IoT-Geräten, Signale über das Mobilfunknetz zu senden und zu empfangen, und bieten somit ein Gateway für die Datenübertragung über grosse Entfernungen. Das ist vor allem in Anwendungen, bei denen der Einsatz kleiner Geräte mit zuverlässiger Konnektivität unerlässlich ist, wie bei der intelligenten Stadtinfrastruktur, Gesundheitsüberwachung und Fernerkundung, wichtig.

Was sind Masseebenen und warum sind sie wichtig?

Eine Masseebene oder Groundplane ist eine leitende Fläche, die als Referenzebene für die Strahlung einer Antenne dient. Sie hilft bei der Bildung des Stromrückflusses der Antenne, der für die Bildung eines Strahlungsdiagramms wesentlich ist. Die Masseebene ist sozusagen die „andere Hälfte“ einer Dipolantenne, die für einen ausgewogenen Betrieb unerlässlich ist. In einem Antennensystem beeinflusst die Masseebene das Strahlungsdiagramm, die Bandbreite, die Impedanz und die Gesamteffizienz des Systems, indem sie das Signal formt und lenkt. Bei der Entwicklung von miniaturisierten Geräten wird diese Komponente des Antennensystems häufig vernachlässigt, was zu schlechten Leistungen und Kommunikationsproblemen führen kann. Das richtige Design der Groundplane gewährleistet, dass das Antennensystem bei den gewünschten Frequenzen in Resonanz ist, was zu einer effizienten Kommunikation führt.

Die Rolle von Masseebenen in Mobilfunkantennen

Die Masseebene ist bei Mobilfunkantennen vor allem aus zwei Gründen wichtig:

Impedanzanpassung: Um eine optimale Leistungsübertragung zu gewährleisten, muss die Impedanz von Mobilfunkantennen an die Übertragungsleitung angepasst werden, die normalerweise 50 Ohm beträgt. Um die Impedanzanpassung beizubehalten, muss bei der Konstruktion der Groundplane berücksichtigt werden, dass sie die Impedanz der Antenne verändern kann.

Kontrolle des Strahlungsmusters: Eine gut konzipierte Masseebene trägt zur Schaffung eines gleichmässigen und gerichteten Strahlungsmusters bei, was für Mobilfunkantennen, die eine Verbindung mit einem oft mehrere Kilometer entfernten Mobilfunkmast aufrechterhalten müssen, von entscheidender Bedeutung ist.

Wie kann die Masseebene in kompakten IoT-Geräten optimiert werden?

Miniaturisierte IoT-Geräte stellen aufgrund ihres begrenzten Platzes für die Antenneninstallation eine besondere Herausforderung dar. Masseebene haben oft eine viertel Wellenlänge des Signals bei der niedrigsten Betriebsfrequenz, was bedeutet, dass sie normalerweise zu gross sind, um in diese winzigen Geräte zu passen. Eine unzureichende Masseebene kann unter anderem folgende Probleme verursachen:

• Geringerer Wirkungsgrad und Antennengewinn
• Impedanz-Fehlanpassung
• Ein verzerrtes Strahlungsmuster, das zu unzuverlässigen Verbindungen führt

Die Entwicklung von Mobilfunkantennen für miniaturisierte IoT-Geräte erfordert innovative Ansätze, um die Einschränkungen zu überwinden, die bei Masseebenen auftreten können. Im Folgenden haben wir einige dieser Ansätze aufgelistet: 

• PCB-Nutzung: Die Verwendung der Leiterplatte (PCB) als Teil der Groundplane ist eine gängige Methode in miniaturisierten Geräten. Beim Entwurf des Leiterplattenlayouts ist darauf zu achten, dass genügend Platz für die Masseebene vorhanden ist und die Lage der anderen Komponenten berücksichtigt wird.

• Innovative Antennendesigns/-typen: In kleinen drahtlosen Geräten werden häufig Antennen wie die PIFA-Antenne (Planar Inverted-F Antenna) verwendet, da sie ein niedriges Profil hat und mit einer kleineren Masseebene arbeiten kann. Diese Art von Antennen ist auf dem Mobiltelefonmarkt sehr verbreitet. 

• Hoch dielektrische Materialien: Durch die Verwendung von Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante kann die Wellenlänge des Signals im Medium „geschrumpft“ werden, was die Verwendung einer kleineren Masseebene ohne Leistungseinbussen ermöglicht.

• Verwendung des Chassis: Das Chassis kann als nützliche Masseebene für Geräte mit Metallgehäusen oder -rahmen dienen. In der Wearable-Technologie kann diese Technik besonders hilfreich sein, da der Metallkörper des Geräts eine ausreichende Oberfläche bietet. 

• Hinzufügen von Lastspulen: Die Antenne kann elektrisch verlängert werden, ohne dass sie physisch grösser wird, indem man eine Lastspule in die Konstruktion einbaut. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Antenne auf einer kleineren Masseebene, da sie bei niedrigeren Frequenzen in Resonanz treten kann.

• Nahfeldresonanzparasitik (NFRP): Bei dieser Methode ist die Antenne von parasitären Elementen umgeben, die in Resonanz treten und die elektrische Grösse der Groundplane effektiv erhöhen, ohne die tatsächlichen physischen Abmessungen des Geräts zu vergrössern.

• Aktive Abstimmungskomponenten: Aktive Abstimmgeräte wie Kapazitätsdioden oder MEMS-Schalter können verwendet werden, um die Resonanzfrequenz der Antenne zu verändern und so die kleinere Masseebene der Antenne zu kompensieren.

Was gibt es bei der Auswahl einer Antenne für ein miniaturisiertes IoT-Gerät zu beachten?

Berücksichtigen Sie bei der Erstellung oder Auswahl einer Antenne für ein kleines IoT-Gerät die folgenden Faktoren für das Design der Masseebene:

• Grösse und Form: Selbst bei kleinen Geräten sollte die Groundplane so gross sein, wie es die Konstruktion zulässt, und sich idealerweise vom Antennenspeisepunkt aus in alle Richtungen erstrecken.

• Material: Für die Masseebene der Antenne sollte ein ausgezeichneter elektrischer Leiter, in der Regel Kupfer, verwendet werden.

• Positionierung: Um Verstimmungseffekte durch die Hand des Benutzers oder umliegende Objekte zu vermeiden, muss die Antenne sorgfältig in Bezug auf die Masseebene positioniert werden.

• Integration: Um Probleme mit der Leistung der Masseebene zu vermeiden, sollten die Antennen bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses in den Entwurf integriert werden.

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Mobilfunkantenne PCS.55.A von Taoglas

Die PCS.55.A ist eine zum Patent angemeldete kompakte Mobilfunkantenne, die speziell für IoT-Geräte mit kleinen Masseebenen entwickelt wurde. Sie kombiniert revolutionäre Antennendesigntechniken mit der Antennenintegrationserfahrung von Taoglas, um eine Lösung für die Breitbandabdeckung der 5G/4G-LTE- und GNSS-Bänder zu bieten, einschliesslich der anspruchsvollen 600-700-MHz-Bänder.

Die Antenne PCS.55.A bietet eine einfache Standardlösung für LTE-, CAT-M-, NB-IoT- und GNSS-Anwendungen und ist nur 27 x 10 x 1,6 mm gross. Damit ist sie die perfekte Mobilfunkantenne für kleine IoT-Geräte, bei denen die Anforderungen an kleinere PCB-Designs immer stärker von der Antennengrösse abhängen. Diese Antenne benötigt einen extrem kleinen Sperrbereich und benötigt im Vergleich zu den meisten anderen kompakten Mobilfunkantennen auf dem Markt weit weniger Anpassungskomponenten. Das Ergebnis ist ein kleineres und weniger komplexes Design, das die Materialliste für das Gerät reduziert und ausserdem die Markteinführung beschleunigt.

Merkmale

• Globales Produkt: Drei verschiedene Anpassungsschaltungen können verwendet werden, um je nach Standort des Kunden eine optimale Leistung zu erzielen. Es wurden die optimalen Komponenten für Nordamerika (NA), die Europäische Union (EU) und weltweit (WW) festgelegt, damit die Entwickler die PCS.55.A problemlos integrieren können, um die beste Leistung für jedes bestimmte Einsatzszenario zu erzielen. Die Antenne PCS.55.A lässt sich mit Standard-SMD-Technologien leicht integrieren, und die Anpassungsschaltungen für jeden Einsatz (NA, EMEA oder WW) wurden auf eine 3-Komponenten-Konfiguration vereinfacht, um eine grössere Flexibilität auf der Benutzerseite zu ermöglichen. 

• Vereinfachtes Integrationspaket: Die Verwendung von nur drei Anpassungskomponenten pro Integration (im Gegensatz zu bis zu 15 bei vergleichbaren Antennen) ermöglicht es dem Kunden, die Antenne mit einer kleineren Stückliste zu verwenden, da weniger verlustbehaftete Anpassungskomponenten erforderlich sind.

• Kleiner Sperrbereich:  Der extrem kompakte Sperrbereich ermöglicht die Integration der Antenne auf kleinen, schmalen Leiterplatten, wo der Platz begrenzt ist.

Wichtige Produktspezifikationen: