Funkkommunikation Antennen – die unbekannten Wesen

Die Entwicklung von IoT-Anwendungen die Daten per Funk übertragen, brauchen weiterhin Antennen.
Die Entwicklung von IoT-Anwendungen, die Daten per Funk übertragen, brauchen weiterhin Antennen.

Daten per Funk zu übertragen ist einfach. So unterstützen etwa Mikrocontroller und SoCs mit integrierten Transceivern und Protokoll-Stapel die Entwicklung von IoT-Anwendungen. Aber auch sie brauchen weiterhin Antennen zum Senden und Empfangen.

Wie funktioniert das Internet der Dinge? Es plaudern Dinge mit anderen Dingen. Ein solches Ding ist zum Bespiel ein sogenanntes Wearable. Wearable leitetet sich aus dem englischen Wort »o wear« ab und bedeutet tragen. Wir tragen also einen Gegenstand (Ding) umher, der Daten erfasst und diese Daten dann freudig anderen Dingen mitteilt. Ein Herzschlag-Gurt, der per Bluetooth Low-Energy (BLE) Daten überträgt, ist ein Beispiel für ein solches Wearable. Ein Gerät zur Überwachung der Einnahme von Medikamenten oder der GPS-Tracker für den Hund bzw. das Fahrrad sind ebenfalls Teil des Internets der Dinge.

Niemand möchte aber ein Kabel umherschleppen, um Daten vom Sensor an seinem Körper bzw. Fahrrad zu übertragen. Die Verbindungsleitung muss durch etwas anderes ersetzt werden. Eine Möglichkeit ist die Infrarot-Fernbedienung, die Lichtsignale zum Empfänger sendet. Licht hat aber den Nachteil, dass es eine Wand nicht durchdringen kann.

Elektromagnetische Wellen sind besser geeignet. Sie können Wände in Gebäuden durchdringen und bieten eine gute Reichweite. Diese elektromagnetischen Wellen haben in verschiedenen Frequenzbändern unterschiedliche Eigenschaften. Kurzwellen werden unter anderem in der Ionosphäre reflektiert und können somit Reichweiten erzielen, die über die geografische Sichtweite hinausgehen.

Die Ionosphäre ist ein Bereich der Erdamosphäre die große Mengen Ionen enthält. Sie liegt zwischen der Stratosphäre und der Exosphäre, oberhalb 50 km bis 400 km über der Erdoberfläche.

Diese Schicht über uns wirkt für Kurzwellen als Reflektor und lenkt die Raumwelle wieder in Richtung Erde ab und wird dort wieder reflektiert. Diese Reflexionen können in Abhängigkeit vom Wetter und Sonneneinstrahlung mehrfach geschehen (Bild 1). Durch sie ist es möglich, Rundfunksignale in ferne Kontinente zu übertragen.

Allerdings ist die Ionosphäre nicht homogen. Sie kann Funkwellen in Abhängigkeit von deren Frequenzen durchlassen, beugen, reflektieren, absorbieren oder zerstreuen. Mit steigender Sonneneinstrahlung absorbiert sie Funkwellen stärker. Das bedeutet, dass die Absorption tagsüber stärker ist als nachts.

Im Frequenzbereich von 169 MHz bis 3600 MHz breiten sich die Bodenwellen quasi-optisch aus. Die Reichweite ist im Groben auf die Sichtweite begrenzt. Reflexionen und Brechungen können allerdings helfen, die Reichweite zu erhöhen, sodass auch hinter einem Berg oder hinter einem Hochhaus noch ein Signal empfangen werden kann.

Für die nachfolgende Betrachtung von Antennen wird der Frequenzbereich im Sub-GHz-Bereich für LPWAN (Low Power Wide Area Network) gewählt.

In diesem lizenzfreien Bereich – 868 MHz Band in der EU bzw. 915 MHz in den USA – arbeiten mehrere Funktechniken (Tabelle 1), z.B. LoRaWAN, Sigfox und Weightless.

LTE Cat-NB1 (NB-IoT) und LTE Cat-M nutzen wegen der guten Ausbreitungsbedingungen und Durchdringung in Gebäuden ebenfalls den Sub-GHz-Bereich.

Antenne = Energiewandler

Ein Wandler von elektrischer Energie in eine elektromagnetische Welle wird Antenne genannt. Passive Antennen verhalten sich reziprok und arbeiten somit als Sendeantenne und Empfangsantenne gleichzeitig. Aktive Antennen, sie enthalten zur Empfangsantenne einen rauscharmen Verstärker (LNA – Low Noise Amplifier), sind nicht reziproke Antennen. Ein Beispiel hierfür ist eine aktive GPS-Patch-Antenne.

Mit Antennen können Informationen über elektromagnetische Wellen übertragen werden. Eine Antenne wird wie ein Zweipol angeschlossen, z.B. an einem Funkmodul, ist aber ein Vierpol ohne feste physikalische Verbindung in den freien Raum (Bild 2). Der Teil der Antenne im freien Raum wird durch sein Umfeld stark beeinflusst. Diese Einflüsse werden später noch genauer betrachtet.

Die Größe einer Antenne wird primär durch die Wellenlänge (λ) bestimmt. Je niedriger die Frequenz ist, um so größer sind die Abmessungen der Antenne.

Ein sogenannter Hertzscher Dipol besteht aus zwei Elementen in der Länge von λ/4. Beim Monopol wird ein Teil des Dipols entfernt. Der fehlende Teil des Dipols wird durch die Massefläche (engl. groundplane) ersetzt.

Die minimale Größe der Massefläche wird von der tiefsten Frequenz in der Applikation bestimmt. Deshalb können Geräte mit integrierter Antenne auch nicht beliebig verkleinert werden und eine Migration von Geräteplatinen, um andere Frequenzbereiche zu nutzen, ich nicht einfach möglich.

Eine Leiterplatte, die beispielsweise entwickelt wurde, um mit einem Bluetooth-LE-Funkmodul bestückt zu werden, das auf 2,4 GHz sendet und empfängt, kann nicht einfach mit einem LPWAN-Funkmodul bestückt werden, das bei 868 MHz arbeitet – auch wenn die Bauformen der Funkmodule einen Tausch zulassen würden.

Für LTE Cat-NB1 im Bereich von 698 MHz bis 960 MHz wird die Anpassung einer für andere Funktechniken entwickelten Leiterplatte durch das große Frequenzband noch komplizierter. Wie aber wählt man nun eine passende Antenne aus?