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(Quelle: Symmetry Electronics)

Antennen sind wichtige Komponenten in Wireless-Designs - von kleinen, in mobilen Geräten integrierten Antennen bis hin zu riesigen Antennen-Arrays in Mobilfunk- oder Satelliten-Basisstationen. Antennen sind in vielen verschiedenen Formen und Größen erhältlich und werden entweder in ein Gerät eingebettet (intern) oder an der Außenseite angebracht (extern). Interne Antennen werden häufig in kompakten IoT-Anwendungen eingesetzt und müssen trotz der damit verbundenen Designherausforderungen strenge Größen- und Leistungsstandards einhalten. Im Gegensatz dazu sind externe Antennen aufgrund ihres Formfaktors und ihrer größeren Größe wesentlich stabiler und einfacher zu integrieren.

Bei der Arbeit mit Wireless-Designs ist es sinnvoll, schon in der Designphase die geeignete Antenne zu ermitteln, um Leistungsprobleme und kostspielige Redesigns zu vermeiden. Dazu müssen die Entwicklungsingenieure die Anforderungen an das Produkt bestimmen, wie z. B. das PCB-Design, die Größe und das Gehäuse. Darüber hinaus sind auch Leistungsparameter zu berücksichtigen, darunter:

• Bandbreite
• Stehwellenverhältnis (VSWR)
• Abstrahlcharakteristik
• Gain

Im Folgenden geben wir Entwicklungsingenieuren einen umfassenden Leitfaden zu externen Antennen an die Hand, in dem wir ihre Vor- und Nachteile, die wichtigsten Leistungsparameter und die verschiedenen verfügbaren Typen erläutern.

Vor- und Nachteile von externen Antennen

Externe Antennen werden über einen HF-Anschluss an der Gehäuseaußenseite eines Geräts angebracht, lassen sich einfach integrieren und erfordern in der Regel nur wenige Entwicklungsressourcen. Im Gegensatz zu internen Antennen sind externe Antennen oft Plug-and-Play-Lösungen, die unabhängig von der Leiterplatte sind, d. h. sie sind nicht maßgeblich von der Größe der Platinenfläche abhängig, an die sie angeschlossen werden. Dadurch ist eine kürzere Entwicklungszeit und eine schnellere Markteinführung möglich. Aufgrund ihrer größeren Größe bieten externe Antennen im Vergleich zu ihren internen Pendants eine höhere Reichweite und Empfindlichkeit. Da sie an der Außenseite des Geräts angebracht sind, bieten sie außerdem eine hervorragende Line-of-Sight. Externe Antennen haben oft eine höhere Nennverstärkung (dBi) und bieten damit eine hervorragende Richtcharakteristik für Anwendungen, bei denen die Signalübertragung auf eine bestimmte Richtung fokussiert werden muss.

Außerdem eignen sich größere Antennen besonders gut für niedrigere Frequenzen mit größeren Wellenlängen. Aus diesem Grund haben viele externe Antennen mit hohem Gain eine Bandbreite, die sich im unteren Sub-GHz-Bereich erstreckt und dennoch eine akzeptable Leistung bietet. Trotz der vielen Vorteile, die externe Antennen bieten, müssen auch die Kosten berücksichtigt werden, da zusätzliche Fertigungsprozesse und Materialien erforderlich sind, um größere Antennen zu produzieren. Außerdem sind externe Antennen für Entwicklungsingenieure, die mit kleinen IoT-Anwendungen arbeiten, aufgrund ihrer Größe und ihres Formfaktors in der Regel nicht geeignet.

Wichtige Leistungsparameter externer Antennen

Messung von Antennenbandbreite und VSWR

Neben der Bestimmung des richtigen PCB-Designs, der Größe und des Gehäuses für ein Projekt, muss auch eine Reihe von Leistungsparametern berücksichtigt werden, um eine ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten. So sollte beispielsweise die Bandbreite betrachtet werden, um den optimalen Frequenzbereich zu bestimmen, in dem eine Antenne effizient Signale senden und empfangen kann. Nehmen wir zum Beispiel eine Bluetooth^®-Antenne, bei der man erwartet, dass sie ihre beste Leistung im 100MHz-Frequenzbereich bei 2,4GHz bis 2,5GHz erbringt. Aufgrund der natürlichen Eigenschaften von Antennen wäre diese Bluetooth-Antenne auch anfällig für Frequenzen außerhalb der vorgesehenen Bandbreite, aber es wird erwartet, dass die Antenne in diesem spezifischen Frequenzbereich (2,4GHz-2,5GHz) mit einem bestimmten Wirkungsgrad (Prozentsatz) optimal arbeitet. Dieser kann jedoch variieren, je nachdem, wie präzise das Antennenelement ausgelegt ist. Häufig wird der entscheidende Faktor für die Bandbreite einer Antenne, das Stehwellenverhältnis (VSWR), gemessen, um die Leistung zu bestimmen, die von einer Antenne zum Funkteil zurückgesendet wird (Abbildung 1). Je weniger Leistung an das Funksystem zurückgesendet wird, desto effizienter kann die Antenne arbeiten. Das bevorzugte VSWR für eine bestimmte Bandbreite ist normalerweise kleiner oder gleich 3:1. So kann beispielsweise eine Antenne, deren Betriebsbereich von 100MHz-400MHz reicht, angeben, dass ihr VSWR innerhalb dieser Bandbreite weniger als 1,5 beträgt. In diesem Fall würde das bedeuten, dass die Antenne etwa 4 Prozent der Leistung an das Funksystem reflektieren soll.

Abbildung 1: Die Antennenbandbreite ist durch VSWR definiert (Quelle: Mobile Mark)

Abstrahlcharakteristik von Antennen ermitteln

Das Strahlungsdiagramm ist weniger ein numerischer Parameter als vielmehr eine grafische 3D-Darstellung und sollte genutzt werden, um die Energieverteilung rund um eine Antenne zu ermitteln. Ein 3D-Strahlungsdiagramm bietet zwar eine vollständige Darstellung der Energieverteilung einer Antenne, aber ein 2D-Diagramm ist dennoch vorteilhaft, da es eine einfache Möglichkeit bietet, zu erkennen, wo die meiste Energie der Antenne konzentriert sein wird. Der Hauptzweck eines Strahlungsdiagramms ist die Visualisierung der Rundstrahlcharakteristik (Abbildung 2) oder der Richtcharakteristik (Abbildung 3) einer Antenne. Eine Rundstrahlantenne zeichnet sich durch ein Strahlungsdiagramm aus, das in einer Ebene (z. B. horizontale x-y-Ebene) in alle Richtungen relativ gleich ist. Im Gegensatz dazu hat eine Richtantenne ein weniger symmetrisches Strahlungsdiagramm, bei dem der größte Teil der abgestrahlten Energie in eine einzige Richtung konzentriert ist.

Abbildung 2: Beispiel für das vertikale und horizontale Strahlungsdiagramm einer Rundstrahlantenne. (Quelle: ResearchGate)

Abbildung 3: Beispiel für das vertikale und horizontale Strahlungsdiagramm einer Richtantenne. (Quelle: EVDO)

Bewertung der Antennenleistung anhand des Verstärkungsfaktors (Gain)

Der erste Parameter, der bei der Bewertung der Antennenleistung betrachtet wird, ist der Verstärkungsfaktor. Dieser so genannte Gain wird immer im Zusammenhang mit dem Strahlungsdiagramm der Antenne beschrieben. Der Gain ist definiert als die Signalstärke in der Richtung ihrer Spitzenabstrahlung im Vergleich zu der einer isotropen Quelle. Eine isotrope Quelle soll als Referenzantenne dienen, obwohl sie physikalisch nicht existiert. Die Referenzantenne ist eine sehr gute Vergleichsquelle zu einer realen Antenne, da ihr Strahlungsdiagramm in alle Richtungen gleich ist. Referenz Abbildung 4 für die allgemeine Formel für die Antennenverstärkung (Gain) (dBi). Für jede Antenne bedeutet eine Erhöhung des Gain in der Praxis eine Erhöhung der Richtwirkung, wodurch die Leistung in der gewünschten Richtung auf Kosten der in andere Richtungen abgestrahlten Leistung erhöht wird.

Abbildung 4: Formel für den Gain (dBi) (Quelle: Abracon)

Typen von externen Antennen

Externe Antennen sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Ein gängiges Beispiel ist die Stummelantenne, die außen an einem Internet-Router montiert ist. Die verschiedenen Typen externer Antennen, die entweder zu den Rundstrahl- oder zu den Richtantennen-Untergruppen gehören, weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, mit denen bestimmte Anwendungsfälle optimal unterstützt werden können.

Rundstrahlantennen

Antennen wie z. B. Terminal-Mount-, Peitschen-, Stummel- und Outdoor-Dipol-Antennen, wie sie an Wireless Access Points (WAPs) zu finden sind, sind zum größten Teil Rundstrahlantennen. Die typische Konstruktion besteht aus dem Antennenelement, das von einem Gummi- oder Kunststoffmantel umschlossen ist und einem freiliegenden HF-Anschluss. Diese Rundstrahlantennen sind immer masseunabhängig, so dass eine einfache Kopplung an den Sender die einzige Voraussetzung für die Integration ist. Aufgrund der Richtungsunabhängigkeit dieser Antennen sollten sie vertikal zum Boden ausgerichtet werden, da sie in der Regel in ihrer horizontalen (x-y) Ebene stark abstrahlen. Alle Wireless-Anwendungen, bei denen eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation erforderlich ist, dürften von dieser Art der Abstrahlcharakteristik am meisten profitieren. Dies gilt z. B. für Büroumgebungen, in denen ein Router benötigt wird, um Signale von vielen Client-Geräten wie Computern, Telefonen oder beliebigen Endknotenmodulen zu senden und zu empfangen.

Weitere Rundstrahlantennen

Puck-Antennen, Antennen mit Magnetbefestigung und Antennen mit Schraubbefestigung sind für die flache Montage auf einer Oberfläche wie z. B. an einer Decke oder einem Autodach vorgesehen. Je nach Antennenmodell können sie auf einer metallischen oder nichtmetallischen Oberfläche montiert werden. Der Formfaktor ist ein großes Unterscheidungsmerkmal. Sie haben in der Regel ein flacheres Design und eignen sich daher ideal für Kunden, die eine andere Ästhetik als bei einer Antenne mit größerem Profil suchen, wie z. B. bei der Terminalmontage. Viele Puck-Antennen unterstützen integrierte rauscharme Verstärker (LNA), die den Signalempfang erheblich verbessern, insbesondere bei schwachen eingehenden GNSS-Signalen (Global Navigation Satellite System). Im Gegensatz zu Peitschenantennen sind Puck-Antennen oft für eine horizontale Ausrichtung auf den Boden oder den Himmel konzipiert, da sie in der vertikalen Ebene eher eine 360-Grad-Abdeckung aufweisen. Ein Beispiel hierfür ist eine WiFi^®-Antenne (WLAN) die an der Decke in der Mitte einer einzelnen Etage eines Büros montiert ist. Die Signalabstrahlung sollte nach unten gerichtet sein, um einen guten Empfang für alle Computer, Telefone und Drucker darunter zu gewährleisten. Ein weiterer Vorteil des Puck-Antennenformfaktors ist, dass viele verschiedene Modelle mehrere Funkprotokolle unterstützen können. Dies ist optimal für Basisstationen, bei denen alle verschiedenen Antennen, die für GNSS, Mobilfunk und Wi-Fi benötigt werden, in einem einzigen Formfaktor zusammengefasst werden sollen. Eine solche Kombi-Antenne besteht im Wesentlichen aus drei verschiedenen Antennenelementen, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, wobei jedes einzelne Protokoll über ein eigenes Kabel und einen eigenen Anschluss verfügt.  

Richtantennen

Panel-, Dish- und Yagi-Antennen sind für Anwendungen konzipiert, bei denen es auf Punkt-zu-Punkt- oder Punkt-zu-Multipunkt-Kommunikation mit großer Reichweite ankommt. Aufgrund der sehr fokussierten Strahlungsdiagramme dieser Antennen finden Sie in ihren Datenblättern immer einen hohen Gain (dBi) (typischerweise über 9 dBi). Aufgrund des hohen Peak-Gains, den diese Antennen in einer einzigen Richtung bieten, eignen sie sich ideal für alle anspruchsvollen Anwendungen mit großer Reichweite, bei denen ein Endknotengerät oder eine Ansammlung von Geräten in einem bestimmten Bereich konzentriert ist. So könnten z. B. zwei Bürogebäude, die dasselbe drahtlose Netzwerk nutzen, auf jeder Seite eine für den Außenbereich geeignete Yagi- oder Panel-Antenne haben, wobei beide Antennen aufeinander ausgerichtet sind, um eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung zu bilden.

Fazit

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von IoT-Anwendungen hat zu einer steigenden Nachfrage nach einer großen Vielfalt an Antennenoptionen geführt. Unabhängig davon, ob ein Ingenieur zu einer internen Lösung tendiert, um die Anforderungen an niedrige Kosten, hohe Stückzahlen und Größe zu erfüllen oder zu einer externen Lösung für einfaches Design und garantierte Leistung - die Antenne wird immer die entscheidende Schnittstelle für das Wireless-System sein. Daher sollte die Antenne bereits in der frühen Designphase eines Projekts festgelegt werden, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Wenn Sie die Anforderungen an Ihr Produkt (z. B. PCB-Design, Größe und Gehäuse) vollständig festlegen, ohne die Antenne zu berücksichtigen, haben Sie weniger Möglichkeiten, Ihr Design zu ändern, falls eine ausgewählte Antenne nicht passt oder nicht kompatibel ist. Abgesehen davon, dass Sie die Anforderungen Ihrer Anwendung genau kennen müssen, ist die Kenntnis der verschiedenen Antennentypen, ihrer einzigartigen Vorteile und Leistungsparameter - Gewinn, Bandbreite, VSWR, Strahlungsdiagramm - immer hilfreich, um die zahlreichen vorhandenen Antennendesigns einzugrenzen.

Der Blogbeitrag „Ein umfassender Leitfaden für externe Antennen“ wurde von Augustine Nguyen geschrieben und zuerst auf www.semiconductorstore.com veröffentlicht.