Antennen für IoT-Module
Ein Leitfaden für die Antennenauswahl
Antennen zählen zu den Schlüsselbauteilen, sie sind entscheidend für den Erfolg oder das Misslingen von IoT-Anwendungen. Die optimal passende Antenne auszuwählen, erfordert Erfahrung. Doch auch HF-unerfahrene Entwickler können die richtige Antenne finden – wenn sie wissen, worauf es ankommt.
Funkkommunikation ist aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken, und immer mehr entsprechende Produkte kommen auf den Markt. Dazu gehören Smartphones, Laptops, Medizinprodukte, industrielle IoT-Geräte, Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation, Gateways und vieles mehr. Mit der zunehmenden Vernetzung steigt auch der Bedarf an effizienten Antennen. Die Designer folgen den Kundenwünschen und entwickeln immer schlankere, kleinere Geräte. Gleichzeitig steigt mit der Nachfrage nach höherer Vernetzung und Bandbreite die Zahl der zu nutzenden Frequenzbänder und damit auch die Anzahl der Antennen, mit denen ein Gerät ausgestattet werden muss. Eine große Herausforderung für Entwickler, die möglichst kleine, schlanke Systeme konstruieren sollen. Hilfe bieten spezielle Antennensysteme.
Antennenparameter
Parameter, die bei der Antennenauswahl zu berücksichtigen sind:
- Wirkungsgrad der Antenne
Was sind die wichtigsten Spezifikationen, auf die ein Entwickler beim Betrachten eines Datenblattes für eine handelsübliche Antenne achten sollte? Der erste Parameter ist der Antennenwirkungsgrad, d.h. das Verhältnis zwischen der vom Funkgerät abgestrahlten Gesamtleistung und der Eingangsleistung der Antenne. Strahlt beispielsweise eine Antenne bei einer Eingangsleistung von 1 W 0,5 W ab, so beträgt ihr Wirkungsgrad 50 %, also –3 dB. Ziel ist es natürlich, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. - Antennengewinn
Der zweite zu berücksichtigende Parameter ist der Antennengewinn, der angibt, wie viel Leistung im Vergleich zu einer sogenannten isotropen Quelle in Richtung der Spitzenstrahlung abgestrahlt wird. Die isotrope Quelle ist eine theoretische Punktquelle, die gleichmäßig in alle Richtungen Leistung abgibt über eine Kugel im Zentrum der Quelle.
Bei Richtantennen, wie z.B. einer Satellitenschüssel für den Fernsehempfang, die stark gebündelt mit hohem Antennengewinn in eine Richtung empfängt, wird das gewünschte Sendesignal jedoch nicht empfangen, wenn die Antenne nur minimal aus der Hauptempfangsrichtung gedreht wird. Auf der anderen Seite gibt es Rundstrahlantennen wie Dipole, die einen geringeren Antennengewinn haben, weil sie die Energie auf einen größeren Teil des Raumes verteilen. Je nachdem, was erreicht werden soll, kann ein Entwickler sich für eine Antenne mit sehr hohem Gewinn oder großem Öffnungwinkel entscheiden. Manchmal ist eine Antenne mit geringerem Gewinn im Hinblick auf die Reichweite besser.
- Stehwellenverhältnis und Rückflussdämpfung
Das Stehwellenverhältnis (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) und die Rückflussdämpfung, auch Reflexionskoeffizient oder S11 (S-Parameter, Streuparameter) genannt, sind zwei verschiedene Möglichkeiten, die gleiche Information darzustellen, siehe Bild 1.
- Die Resonanzfrequenz und die Impedanz der Antenne können leicht mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) gemessen werden. Für die Messung von Gewinn und Wirkungsgrad der Antenne ist ein Absorberraum erforderlich, für das Stehwellenverhältnis (VSWR) reicht ein VNA aus.
- Frequenz und Wellenlänge
Die Anzahl der Perioden oder Zyklen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet und in Hertz (Hz) gemessen. Bei der Funkkommunikation werden üblicherweise Frequenzen von etwa 3 kHz bis 300 GHz verwendet. Die Wellenlänge hängt von der Geschwindigkeit, mit der sich die Welle durch das Medium ausbreitet, z.B. Luft, und der Frequenz ab. Zur Berechnung der Wellenlänge wird die Lichtgeschwindigkeit in Luft (3 × 1010 cm/s) durch die Frequenz geteilt. Für WiFi oder Bluetooth, die mit einer Frequenz von 2,4 GHz arbeiten, ergibt sich demnach eine Wellenlänge von 12,5 cm, wie die folgende Formel zeigt.
Eine optimale Dipol-Antenne sollte eine Länge von λ/2 haben – in diesem Fall 6,25 cm. Eine Stabantenne (Monopol) sollte λ/4 lang sein, 3,125 cm. Wenn das Zielsystem eine Smartwatch mit einer 4 × 4 cm2 großen Halterung ist und trotzdem eine voll funktionsfähige WiFi-Antenne eingesetzt werden soll, stellt sich die Frage: Wie passt die Antenne dann in die Halterung?
Eingebettete Antennen
Einer der herausforderndsten Antennentypen sind eingebettete Antennen. Als Beispiel sei hier eine eingebettete Antenne (Monopol) erwähnt, die auf vier verschiedenen Evaluation-Modulen mit unterschiedlichen Längen montiert ist. Wird der Wirkungsgrad der Antenne für jedes dieser Module in einer Absorberkammer gemessen, so lässt sich feststellen, dass der Wirkungsgrad sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen drastisch sinkt, wenn das Modul für die Antenne zu kurz ist. Dies zeigt, dass die Größe der Massefläche eine wesentliche Rolle für die Leistung der Antenne spielt – dies gilt für jede eingebettete Antenne, unabhängig von Hersteller, Bauform oder Frequenz.
Aus diesem Grund gibt es verschiedene Arten von eingebetteten Antennen, von denen einige besser funktionieren als andere, je nach Größe der Leiterplatte. Die fünf gebräuchlichsten Arten eingebetteter Antennen sind:
- Keramik-/Spiral-Monopolantennen,
- Keramik-Magnetschleifenantennen (MagLoop),
- Keramik-/Multiband-PIF-Antennen (Planar Inverted F-Shaped Antenna) mit FR4,
- PIF-Antennen aus gestanztem Metall und
- Patchantennen.
Diese Standardantennen sind bei Herstellern wie Abracon, Amphenol, Pulse, AVX, Taoglas und TE Connectivity erhältlich. Bei der Entscheidung, welche Art von eingebetteter Antenne gewählt werden soll, ist es wahrscheinlich einfacher, die beiden Extreme – Monopolantenne und Loop-Antenne – miteinander zu vergleichen.
Keramik-Monopolantennen
Keramik-Monopolantennen sind die am einfachsten zu bemessenden eingebetteten Antennen und werden in einer Ecke der Leiterplatte montiert. Sie funktionieren ähnlich wie ein normaler Monopol und erzeugen ein dipolares Strahlungsdiagramm. Die Impedanzanpassung erfordert normalerweise ein serielles und ein paralleles Bauteil, was nach dem Smith-Diagramm recht einfach ist.
Der Nachteil dieses Antennentyps besteht jedoch darin, dass die sogenannte Ground Clearance, d.h. die metallfreie Fläche um die Antenne herum, relativ groß sein muss, um eine maximale Strahlungsleistung zu erzielen. Wenn nicht viel Platz auf der Leiterplatte zur Verfügung steht, kann eine spiralförmige Monopolantenne eine gute Alternative sein.
Keramik-Loop-Antennen
Der dritte Antennentyp ist die Keramik-Loop-Antenne. Von den eingebetteten Antennentypen bietet sie im Idealfall den höchsten Wirkungsgrad und den größten HF-Gewinn. Außerdem ist sie unempfindlicher gegen manuelle Aufladungseffekte und daher am besten für Handheld-Anwendungen geeignet. Einer der Hauptnachteile von Keramik-Loop-Antennen ist, dass sie als Dipolantennen eine größere Grundfläche benötigen als Monopolantennen.
Bei einer Loop-Antenne ist die GND Clearance besonders wichtig. Die Loop-Antenne ist so mit der Leiterplatte verbunden (Bild 2), dass auf der einen Seite ein geerdetes Bauteil und auf der anderen Seite ein zweites geerdetes Bauteil liegt. Die Art und Weise, wie der Strom fließt, kann beeinflusst werden, indem die Clearance verändert wird, um Impedanz und Resonanzfrequenz zu erhöhen oder zu verringern. Der zweite zu berücksichtigende Faktor ist das elektromagnetische Feld und seine Wirkung auf die Leiterplatte.
Da die Loop-Antenne die Grundfläche als Dipol verwendet, stammt der größte Teil der Strahlung von der Leiterplatte. Die Gesamtlänge muss, wie bereits erläutert, eine halbe Wellenlänge betragen, mit einer Länge entsprechend dem Viertel der Wellenlänge auf der einen und der gleichen Länge auf der anderen Seite. Da die Wellenlänge mit der Frequenz variiert, variiert auch die erforderliche Länge der Leiterplatte. Wenn die Leiterplatte für eine bestimmte Frequenz zu kurz ist, funktioniert die Loop-Antenne nicht wie erwartet. Aufgrund dieser beiden Faktoren sind Loop-Antennen die technisch komplexesten eingebetteten Antennen und es bedarf erfahrener HF-Ingenieure, um sie zu bemessen.
Keramik-Patch-Antennen
Patch-Antennen eignen sich besonders für GPS-Anwendungen, bei denen das Gerät immer zum Himmel ausgerichtet ist. Sie verfügen über einen hohen Gewinn und eine zirkulare Polarisation. Wenn die Position des Geräts jedoch beliebig ist, wie z.B. bei einem Wearable, ist eine Chip-Antenne eine gute Alternative, da sie eine Rundstrahlcharakteristik aufweist.
Die Bedeutung der Antennenbauform
Eine Antenne ist für eine bestimmte Betriebsfrequenz ausgelegt. Das bedeutet, dass sie für jeden Funkstandard oder jede Funkanwendung verwendet werden kann, wenn sie das Frequenzband abdeckt. Beispielsweise kann eine 2,4/5-GHz-Dualbandantenne für Bluetooth, Bluetooth Low Energy (LE) und WiFi und für 2,4-GHz-Anwendungen wie Zigbee und Thread verwendet werden.
Wenn bei einer bestimmten Frequenz ein Rückgang des Stehwellenverhältnisses oder der Rückflussdämpfung festgestellt wird, bedeutet dies, dass die Antenne bei dieser Frequenz in Resonanz ist. Ist die Antenne nicht auf die richtige Impedanz oder Frequenz des Funkmoduls abgestimmt, entsteht eine Impedanzfehlanpassung am Antenneneingang – eine Rückflussdämpfung, siehe Bild 3.
Diese Impedanzfehlanpassung führt dazu, dass Leistung von der Antenne zurück zum Funkgerät reflektiert wird. In diesem Fall muss möglicherweise die Ausgangsleistung des Funkmoduls erhöht werden, was bei batteriebetriebenen IoT-Geräten zu einer schnelleren Entladung von Akku/Batterie führt. Außerdem wird die Funkverbindung zwischen dem IoT-Gerät und dem Empfänger schwächer.
Aus diesem Grund ist es wichtig, die Impedanz anzupassen, um die Rückflussdämpfung zu minimieren. Dadurch kann die Ausgangsleistung des Funkmoduls reduziert und die Betriebsdauer mit Akku/Batterie verlängert werden. Ziel ist es, das Stehwellenverhältnis möglichst nahe an 1 zu bringen oder die Rückflussdämpfung bei der gewünschten Resonanzfrequenz unter –10 dB zu halten.
Unterstützung durch HF-Spezialisten
Angenommen, ein Entwickler entscheidet sich für ein integriertes Funkmodul mit angepasster Antenne, das in die Hauptleiterplatte eingebettet werden kann. Für diesen Fall bietet TTI Europe beispielsweise vorzertifizierte Module für Mobilfunk, WiFi, Bluetooth, Bluetooth LE, LoRa und UWB an. Die Vorteile, die für den Einsatz eines vorzertifizierten Moduls sprechen, sind kürzere Bemessungszeiten, verbesserte Leistung und niedrigere Entwicklungs- und Zertifizierungskosten. Unabhängig davon, ob sich ein Entwickler für eine kundenspezifische HF-Schaltungsentwicklung oder ein gebrauchsfertiges Funkmodul entscheidet: TTI Europe verfügt über ein Team von HF-Spezialisten, die mit technischer Beratung und Unterstützung zur Seite stehen.
Der Autor
Edoardo Genovese
kam zu TTI Europe im Jahr 2019 als Technical Development Manager, RF (Europe). Er ist ein mehrsprachiger Autor, der fließend Englisch, Deutsch, Französisch und Italienisch spricht und über weitreichende Erfahrungen in den Bereichen HF, Antennen, EM-Simulation, Signal/Power Integrity und EMC verfügt. Nach seinem Master-Abschluss in Elektrotechnik am Politecnico di Torino im Jahr 2004 verfügt er über zwei Jahrzehnte an technischer Erfahrung. In seiner vorherigen Position war er für alle Vertriebsaktivitäten und den ersten technischen Support in der EMEA-Region verantwortlich, für Großhändler und Endkunden.
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