Funk-Transceiver und Antennen Antennen-Abstimmung und -Verstimmung

Abstimmung der Antenne um ein ezuverlässige Funkübertragung zu haben, mit eines LoRaWAN-Knotens.
Eine abgestimmte Antenne ist entscheidend für eine zuverlässige Funkübertragung.

Für eine zuverlässige Funkübertragung muss die Antenne abgestimmt und an die Elektronik des Transceivers angepasst werden. Wie das geht, zeigt das Beispiel eines LoRaWAN-Knotens.

Einfach gesagt ist eine Antenne ein leitendes Schaltkreiselement, das zum Abstrahlen oder Empfangen elektromagnetischer Wellen dient. Die Länge des aktiven Teils einer Antenne ist ein Bruchteil oder ein Vielfaches der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz. Dieser Fachaufsatz betrachtet die gebräuchlichsten Antennen, die in LoRaWAN-Endgeräten am häufigsten anzutreffen sind: elektrisch kurze (E-Feld-) Antennen.

Elektrisch kurze Antennen

Die elektrisch kurze Antenne eignet sich gut für Funksensoranwendungen; sie ist kostengünstig und bietet sich an für Geräte mit beengten Platzverhältnissen. Die kostengünstigste Antenne ist die Leiterplatten-Antenne oder PCB-Antenne, ausgeführt als Leiterbahn – z. B. eine Mäanderleitung, Invertierte F- (IFA) oder Mäander Invertierte F-Antenne (MIFA).

Bestehen für eine Anwendung keine räumlichen Einschränkungen, kann eine Drahtantenne verwendet werden. Ist die Leiterplattenfläche begrenzt, eignen sich Embedded-Chip-Antennen, die von mehreren Herstellern angeboten werden. Viele der Antennenhersteller bieten zu ihren Antennen sowohl Leiterplatten-Layout-Empfehlungen als auch einen Service zur Optimierung des Schaltungsentwurfs an.

Ein Vergleich gängiger elektrisch kurzer Antennen ist in der Tabelle 1 aufgeführt. Letztendlich hängt die Auswahl der Antenne von den Anforderungen der Anwendung ab.

Antennenspezifikationen

Die Kenntnis der wichtigsten Antennenparameter und -spezifikationen ermöglicht es Entwicklern, die optimale Antenne für ihre Anwendung auszuwählen. Um die Auswahl zu erleichtern werden nachfolgend einige Antenneneigenschaften näher erläutert.

Spannungs-Stehwellenverhältnis und Rückflussdämpfung

Antennenhersteller beziehen sich oft auf die Austauschbarkeit der Spezifikationen für das Spannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio) und die Rückflussdämpfung (RL – Return-Loss).

VSWR kennzeichnet die Stärke der stehenden Welle auf jeder HF-Leiterbahn oder -Übertragungsleitung, die sich aus einer Fehlanpassung zwischen der Impedanz der Übertragungsleitung und der am Ende der Leitung angeschlossenen Last (Antenne) ergibt. Je höher das Verhältnis ist, desto größer die Fehlanpassung. Der theoretische VSWR-Mindestwert beträgt 1:1. In der Praxis wird das Spannungs-Stehwellenverhältnis immer größer als dieser Wert sein.

RL ist ein Maß für das Signal, das aufgrund der Fehlanpassung zwischen Übertragungsleitung und Last (Antenne) an der Last reflektiert und an die Quelle zurückgegeben wird.

Da Antennenhersteller entweder den Wert für VSWR oder RL angeben, können sie einfach umgerechnet werden:

 

R L open square brackets d B close square brackets equals negative 20 log subscript 10 open parentheses fraction numerator V S W R minus 1 over denominator V S W R plus 1 end fraction close parentheses space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis

V S W R equals fraction numerator 1 plus 10 to the power of begin display style fraction numerator negative R L over denominator 20 end fraction end style end exponent over denominator 1 minus 10 to the power of begin display style fraction numerator negative R L over denominator 20 end fraction end style end exponent end fraction space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis space space space space space space space space space space space

 

Der Prozentsatz der Leistung, die aufgrund einer Fehlanpassung an der Antenne reflektiert wird, berechnet sich zu:

 

R subscript r e f l e k t i e r t end subscript equals 100 times open parentheses 10 to the power of fraction numerator negative R L over denominator 20 end fraction end exponent close parentheses squared space space space space space left parenthesis 3 right parenthesis

 

Bandbreite

Die Bandbreite einer Antenne ist der Frequenzbereich der Antenne, über den der VSWR- oder RL-Wert einen bestimmten Schwellenwert – VSWR ≤ 2:1 oder RL = –10 dB – nicht überschreitet.

Antennenwirkungsgrad
Der Antennenwirkungsgrad ist ein Maß für die abgestrahlte Leistung (PA) im Verhältnis zur einfallenden Leistung (PE) der Antenne und definiert sich als:

 

eta open square brackets percent sign close square brackets equals P subscript a b g e s t r a h l t end subscript over P subscript E i n g a n g end subscript space space space space space left parenthesis 4 right parenthesis

 

Wie erwähnt, wird ein Teil der einfallenden Welle zurück zur Quelle reflektiert, sodass der Antennenwirkungsgrad immer weniger als 100 % beträgt.

Antennengewinn

Antennen sind passive Bauelemente. Ihr Gewinn sollte nicht als Erhöhung der abgestrahlten Gesamtleistung verstanden werden, sondern es handelt sich um einen relativen Wert in Bezug auf eine gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlende isotrope Antenne – angegeben in dBi.

Maximaler Antennengewinn

Antennenhersteller ermitteln den maximalen Gewinn einer Antenne in einer bestimmten Richtung. Diese effektive Erhöhung der Strahlungsleistung in eine bestimmte Richtung geht jedoch zu Lasten anderer Richtungen. Je höher der maximale Antennengewinn, desto schmaler wird die abgestrahlte Leistung in diese Richtung fokussiert.

Ein höherer Antennengewinn kann für bestimmte Anwendungen, z. B. bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung, nützlich sein. In Anwendungen jedoch, bei denen die Antenne eines Funkknotens nicht auf die Basisstation ausgerichtet werden kann, bzw. die Position des Funkknotens zur Basisstation nicht bekannt oder auch nicht konstant ist, kann eine solche Antenne mit Richtwirkung ungeeignet sein.

Strahlungscharakteristik

Antennenhersteller können die Leistungsfähigkeit einer Antenne charakterisieren, indem sie eine Reihe von Polardiagrammen einbeziehen, die den relativen Gewinn der Antenne in verschiedenen Ausrichtungen oder Ebenen veranschaulichen. Die Diagramme für die xz-, xy- bzw. yz-Ebene verwenden dabei ein räumliches Polar-Koordinatensystem (Kugelkoordinaten, Bild 1). Die Strahlungscharakteristiken jeder Ebene sind in Bild 2 dargestellt.