3G/4G-Design
Was rekonfigurierbare Antennen können
Rekonfigurierbare Antennen - deren elektrische Parameter man per Software digital verändern kann - sind heute schon sehr gefragt und werden in künftigen Mobilfunkgeräten und Embedded-Wireless-Systemen eine immer größere Rolle spielen: Denn man nutzt noch mehr unterschiedliche Frequenzbänder und muss deshalb bei gleichen mechanischen Antennenabmessungen die elektrischen Werte häufig und auch rasch ändern. Hier die grundlegenden Details dazu.
Das Konzept der rekonfigurierbaren Antenne hat eigentlich eine lange Geschichte: Insbesondere Funkamateure, die mehrere Frequenzbänder nutzen, verwenden schon seit den Anfängen der Funktechnik unterschiedlich lange Strahlersegmente aus Draht. Das „Umklemmen“ von ein paar Steckern genügt, um den Einspeisepunkt zu verändern und eine Oktave oder mehr abzudecken. Im Prinzip handelte es sich um eine mechanische Installation, die sich von einigen heute eingesetzten Systemen kaum unterscheidet.
Warum rekonfigurierbare Antennen?
Die ultimative Ausführung einer rekonfigurierbaren Antenne ist sicherlich eine Software-definierte Antenne, die auf ähnliche Weise funktioniert wie ein Software-definiertes Funkgerät, das mittels konfigurierbarer Hardware in einem weiten Frequenzbereich empfängt und sendet. Solche Konzepte wurden bereits vorgeschlagen und in experimentellen Systemen realisiert, zum Beispiel eine aus Pixeln bestehende Metallbeschichtung, die zu unterschiedlichen Modi von Patch-Antennen verbunden und konfiguriert werden kann. Sie werden zumindest vorläufig intensiv erforscht und haben wenig Ähnlichkeit mit den praktikablen Lösungen, die heutigen HF-Herausforderungen genügen und die im Folgenden erörtert werden.
Warum sollen Antennen rekonfigurierbar sein? Es mag viele Szenarien geben, und unterschiedliche Anwendungen können die Änderung der Frequenz, des Strahlungsdiagramms oder anderer Eigenschaften wie der Polarisation erfordern. Das Mehrelemente-Antennen-Array eines phasengesteuerten Radars kann als rekonfigurierbare Antenne betrachtet werden, bei der die Phasenänderung des in die verschiedenen Antennenstrahler gespeisten Signals die Abstrahlcharakteristik ändert. Auch die Antenne eines mobilen Telefons ist ein Beispiel, wie die Anpassung an den Transceiver, die Abstrahlcharakteristik und der Strahlungswirkungsgrad je nach Frequenz angepasst werden können.
Allgemein bekannt ist, dass fast jedes Handy nicht nur eine Vielzahl von Transceivern für 2G, 3G und 4G in sich birgt, sondern auch für WLAN (WiFi), Bluetooth, NFC und GPS eingerichtet ist und zusätzlich auch UKW mit dem Kopfhörerkabel als Antenne empfängt. Es ist nicht gerade ungewöhnlich, dass man bis zu fünf Antennen in einem Handy der oberen Preisklasse findet.
Mit dem höchsten Frequenzband, das sich zur Zeit mit einer Wellenlänge von 15 cm im 2-GHz-Bereich befindet, ist eigentlich klar, dass eine herkömmliche Antenne als Halbwellendipol völlig unannehmbar ist. Doch es muss bedacht werden, dass eine Handy-Antenne viele Mannjahre an Entwicklungszeit kostet, angefangen bei den Experimenten und dem Design über das kunstvolle Falten und Formen der strahlenden Elemente bis hin zum intelligenten Einsatz der Dielektrika. Heutige Handy-Antennen besitzen eine akzeptable Anpassung an die Senderendstufe und den Empfängereingang, was die vorhandenen Bänder betrifft, sind aber nicht für die immer mehr im Mobilfunk genutzten Sub-GHz-Bänder (700 MHz in USA und in Europa LTE bei 800 MHz) geeignet.
Für die Vorgabe, die Bandabdeckung zu erweitern, kann lediglich ein Element mit minimal notwendigen Änderungen eingesetzt werden, denn eine weitere separate Antenne würde nur mehr Platz einnehmen und ein weiterer HF-Pfad für Empfang und Sendung über den Antennenschalter ebenfalls. Da diese hochleistungsfähigen Schalter bereits zehn Wege schalten (SP10T und andere Konfigurationen), sollten weitere Komplikationen nach Möglichkeit vermieden werden.
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