Kleine Entscheidung, große Wirkung
Antennentechnologie für das Internet der Dinge
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Mobilfunknetze
Mobilfunknetze für M2M- und IoT-Verbindungen zu nutzen, hat den Vorteil, dass keine Zugangspunkte oder Gateways erforderlich sind, sodass sich eine großflächige Skalierung effizienter umsetzen lässt. Eine solche Entscheidung hat jedoch auch enorme Auswirkungen auf die Auslegung des Antennensystems, denn wenn ein System weltweit verwendet werden soll, dann muss es unter Umständen eine Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen unterstützen, und die unterscheiden sich je nach Datenbedarf des konkreten Anwendungsfalls.
Traditionelle GSM-Verbindungen liefern hierfür einige Megabit an Datentransfer und können auf den Frequenzbändern zwischen 850 MHz und 1900 MHz aufgebaut werden. Je nach Frequenz sind unterschiedliche Antennendesigns erforderlich. Die Leistung in Gebäuden ist bei 900 MHz durch eine geringere Absorption deutlich besser als bei 1800 MHz. Noch höhere Frequenzen, die zwar höhere Datenraten unterstützen, absorbieren sogar noch mehr und sind deshalb ohne Repeater noch deutlich weniger für die Verwendung in Gebäuden geeignet. Die verbreitete 3G-Technologie mit 2100 MHz bietet jedoch bis zu 100 Mbit/s Downloads via HSDPA – auch wenn dies eine recht teure Möglichkeit zur Bereitstellung einer Verbindung sein kann. Und obwohl LTE bis zu 300-Mbit/s-Datenraten für Downloads und – was für M2M-Applikationen natürlich noch wichtiger ist – bis zu 75-MBit/s-Uploads zur Verfügung stellen kann, bedeutet LTE immer auch den Wechsel hin zu paketbasierten Netzen. Und dieser Schritt bietet Vorteile: Die Frequenzbänder sind zwar komplexer und hochfrequenter geworden: bis zu 2600 MHz, bei Applikationen mit niedrigen Datenraten kann der der Stromverbrauch aber geringer ausfallen. Das wird durch einen schnelleren Verbindungsauf- und -abbau ermöglicht, bei dem nur die angeforderten Pakete gesendet werden. Der Schaltungsaufbau für HSDPA verbraucht hierzu im Vergleich deutlich mehr Energie.
Auch dieser Umstand kann Auswirkungen auf das Antennendesign haben: Nutzt man getrennte Antennen für die verschiedenen Frequenzen, so hat das Einfluss auf ihre Leistung und ihre Größe – insbesondere wenn mehrere Antennenumschalter benötigt werden, um zum gewünschten Band zu wechseln. Ineffiziente Schalter können nämlich die Verbindungsperformance, an deren Optimierung ein Antennenentwickler oft hart gearbeitet hat, signifikant reduzieren.
Allerdings werden diese Probleme regelmäßig von den Herstellern angegangen, da – im Gegensatz zu den ISM-Bändern – jedes einzelne M2M-Modul für den Einsatz in den Telekommunikationsnetzen zertifiziert werden muss. Das macht es einfach, die Module zusammen mit den erforderlichen SIM-Modulen in existierende Designs zu integrieren. Da solche Module nämlich zumeist nach den Spezifikationen des Netzbetreibers entwickelt worden sind, umfasst das Antennendesign nur die Frequenzen, die der Betreiber in den verschiedenen geographischen Regionen unterstützt. Für mobile Applikationen umfassen solche Module auch die Antenne und den Receiver für Navigations-Satelliten. So kann dem Mobilfunkmodul die Position des mobilen Devices bereitgestellt werden, und dieses kann sodann die Position an das Netzwerk übertragen, um das Device zu lokalisieren.
NFC
Die Near Field Communication befindet sich am anderen Ende des Komplexitätsspektrums von M2M- und IoT-Designs. Das vergleichsweise einfache Design arbeitet bei 13,56 MHz über Distanzen von bis zu 10 cm. Gekoppelt wird eine passive Antenne, um die Leistung für die kurze Zwei-Wege-Verbindung bereitzustellen. Diese einfachen Schleifeninduktoren werden gescannt, um Daten auszutauschen. Eingesetzt werden sie, um Anmeldeinformationen zu speichern und auszutauschen, auf Daten zuzugreifen und sie zu kontrollieren sowie um drahtlose Verbindung zu Tags herzustellen. Ihre Induktivität liegt normalerweise zwischen 0,5 und 1 µH, und mit einer geeigneten Anpassungsschaltung erreichen sie eine Impedanz von 50 bis 80 Ohm. Eine der wichtigsten Herausforderungen bei mobilen Applikationen ist dabei, die NFC-Antenne so dünn wie möglich auszulegen, wobei als weitere Einschränkung zu berücksichtigen ist, dass das Gehäuse des Devices oft als Schutzschild wirkt.
Ein weiterer limitierender Faktor ist oft die Bandbreite, die zur Datenübertragung benötigt wird. Deshalb ist auch auf den Q-Faktor (Gütefaktor) zu achten. Je höher der zulässige Q-Faktor, desto stärker ist die Strahlung bei gegebenem Leistungspegel und desto effektiver ist die Verbindung. Ein hoher Gütefaktor ist dabei besonders wichtig, wenn die NFC-Tags am Equipment automatisch ausgelesen werden, um Position und Inhalte zu bestätigen.
Fazit
Obwohl die Antenne ein wesentlicher Bestandteil eines jeden drahtlosen Knoten-Designs für IoT- und M2M-Applikationen ist, wird sie von vielen dennoch kaum verstanden. Es ist auch nicht trivial, das Antennendesign für ein oder mehrere Frequenzbänder zu optimieren, die von einem Knoten benötigt werden. Ihre Optimierung kann aber erhebliche Vorteile für die Verringerung des Stromverbrauchs und hinsichtlich der Batterie-Lebensdauer bringen. Auf welche Art die Antenne optimiert werden kann, hängt dabei ganz von den Frequenzbändern und der Art der drahtlosen Verbindung ab. NFC unterscheidet sich beispielsweise stark von Mobilfunkverbindungen – beide Verbindungen können aber global genutzt werden. Die Popularität der ISM-Bänder wird die Kosten der Verbindungen weiter reduzieren. Auch die zunehmend weltweite Nutzung von WLAN und Bluetooth eröffnet weitere Perspektiven zur Entwicklung neuer angebundener Plattformen.
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