Antennen für IoT und M2M

Wie wichtig sind Antennen in der Praxis?

30. August 2018, 16:48 Uhr | Harry Schubert
Harald Naumann leitet beim Wireless Congress 2018 das Tutorial »Antenna«
Harald Naumann leitet beim Wireless Congress 2018 das Tutorial »Antenna«
© Elektronik

Fünf Fragen an Harald Naumann von Tekmodul zu seinem Tutorial »Embedded Antenna Design – Make or Buy« beim 15. Wireless Congress 2018 am 15. November in München.

Harald Naumann wird beim 15. Wireless Congress wieder in die Geheimnisse von Antennen einführen. In seinem Tutorial, das er gemeinsam mit Roger Denker von MegiQ durchführt, vermittelt er die Grundlagen der Antennentechnik und verrät worauf es beim Einsatz von Antennen in IoT / M2M-Applikationen ankommt.

 

?   Herr Naumann, welche Herausforderungen stellen Antennen an Entwickler?

!   Harald Naumann: Antennen sind der Schlüssel zum Erfolg. Eine Differenz von 3 dB Strahlungsleistung kann 2,5 Jahre Betrieb statt fünf Jahre bedeuten oder im umgekehrten Fall sogar zehn Jahre Batterielebensdauer statt fünf.

Wenn das Gehäuse zusammen mit der Batterie 3 dB absorbieren, muss der Sender dies ausgleichen, indem er 3 dB mehr Sendeleistung abgibt. 3 dB mehr Sendeleistung bedeutet aber die doppelte Sendestromstärke und dies verkürzt die Einsatzzeit eines batteriebetriebenen Funksenders auf die Hälfte – eben wie im genannten Beispiel von fünf Jahre auf 2,5 Jahre.

Wenn die Systemverstärkung 3 dB besser ist, verdoppelt sich dagegen die Lebensdauer der Batterie – von fünf Jahre auf zehn Jahre.

Unabhängig von der gesamten Einsatzzeit sind 3 dB mehr oder weniger entscheidend für die Reichweite – und damit eines der wichtigsten Kriterien für die geplante Anwendung.

 

?   Welche Antennenbauarten stehen Entwicklern zu Wahl und worin unterscheiden sie sich?

Ausführungsformen von Leiterplatten-Antennen
Bild 1.1) Runde LTE-Leiterplattenantenne mit Koaxialkabel für ein scheibenförmiges Gehäuse.2) Runde Doppel-F-Antenne für LTE-Cat-NB1.3) Rechteckige Multibandantenne für GSM, UMTS und LTE, optimiert auf kleiner Grundplatte von 50 mm × 40 mm.
© Harald Naumann

!   Naumann: Entwickler haben bei Chip-Antennen die Wahl zwischen Antennen, die als elektrische Monopolantenne oder als magnetische Monopolantenne arbeiten.

Magnetische Antennen sind unempfindlich gegen die Anwesenheit eines menschlichen Körpers in der Nähe des Nahfeldes. Die Mittenfrequenz bleibt stabil.

Eine elektrische Antenne hingegen verschiebt ihre Mittenfrequenz mehr oder weniger, wenn sich ein Objekt im Nahfeld aufhält.

Eine PCB-Antenne kann auf der Hauptplatine als Leiterbahn realisiert werden, zum Beispiel mit einem 90-°-Winkel oder auch als flexible Leiterplatte. Ein Beispiel für eine solche PCB-Antenne ist die Dualband-F-Antenne für GSM und LTE-Cat-NB1, die ich in meinem IoT / M2M-Kochbuch veröffentlich habe. Interessenten können die Antenne in ihr Leiterplattenlayout einfügen und die Antenne ohne zusätzliche Kosten zusammen mit der Leiterplatte herstellen. Im Tutorial werden allerdings vorrangig die gängigen Antennentypen behandelt.

Als dritte Bauart können Antennen auch aus Metallblech geschnitten und gebogen werden.

 

?   Worin unterscheiden sich fertige Antennen von selbstgebauten Antennen?

Foto Leiterplatte mit Antenne des Gillette-Bestellknopfs.
Bild 2.F-Antenne für GSM und LTE-Cat-NB1 (am Rand der Leiterplatte oben) wie sie im Gillette-Bestellknopf verwendet wird.
© Harald Naumann

!   Naumann: Selbst gebaute PCB-Antennen als Teil der Leiterplatte tauchen in der Stückliste mit null Euro auf.

Selbst gebaute PCB-Antennen können ohne Schaltung zur Antennenanpassung auf 50 Ω abgestimmt werden, wodurch sich auch Verluste in der Anpassungsschaltung vermeiden lassen.

Selbst gebaute Antennen können fast jede Form haben.

Der Gillette-Bestellknopf mit seiner F-Antenne ist ein gutes Beispiel für die Vorteile von PCB-Antennen: nicht präsent in der Stückliste (null Euro), an die Gehäuseform anpassbar (in diesem Fall: rund) und verlustarm in der Antennenanpassung. Die Bilder 1 und 2 zeigen weitere Beispiele für PCB-Antennen.

 

?   Wie kann ein Entwickler die richtige Antenne auswählen?

Wireless Congress: Systems & Applications
14.-15. November 2018Münchenwww.wireless-congress.com
© WEKA FACHMEDIEN

!   Naumann: Am einfachsten: Er fragt ein Mitglied seines Teams mit Kenntnissen in Antennen und der Antennenkonstruktion oder er fragt einen externen Antennenfachmann. Die Kosten für ein paar Stunden Fachberatung sind eine gute Investition.

Nachdem ein Entwickler die Antenne oder mehrere Antennen ausgewählt hat, sollte er sie auf einer leeren Platine, eingebaut im endgültigen Gehäuse oder in einem Gehäuseprototypen – hergestellt aus Kunststoff mit dem gleichen εr oder wenigstens einem ähnlichen εrtesten.

Denn bei Chip-Antennen ist zu beachten, dass die Angaben in den Datenblättern der Hersteller sich nur auf eine auf der Referenzplatine montierte Antenne und ohne Gehäuse beziehen.

 

?   Was zeigen Sie in Ihrem Tutorial beim Wireless Congress 2018 und an wen richten Sie sich?

!   Naumann: Gemeinsam mit Roger Denker werde ich gute und schlechte Antennen zeigen. Jeder kann sogar von schlechten oder falschen Beispielen lernen.

Wir zeigen auch mehrere erfolgreiche Embedded-Antennen, von Geräten, die in Serie produziert werden, für LoRaWAN, Sigfox, LTE-Cat-NB1 und GSM.

Wir sprechen Hardware-Entwickler mit Kenntnissen im Leiterplattendesign an und zeigen ihnen den Weg zur Entwicklung einer funktionierenden Antenne. Darüber hinaus stehen Roger Denker und ich im Anschluss an das Tutorial für Gespräche zur Verfügung, um individuelle Anwendungen zu diskutieren.

 

Wireless Congress: Systems & Applications
Tutorial 8: Antenna
15. November 2018, 16:00 Uhr – 18:00 Uhr
München
www.wireless-congress.com

 

            

Harald Naumann, Vertriebsleiter bei Tekmodul.
Harald Naumann leitet den Vertrieb bei Tekmodul in München.
© Harald Naumann

Harald Naumann

ist ein anerkannter IoT /M2M-Evangelist mit einem primären Interesse an der Implementierung von Funk-Anwendungen. Er verfügt über mehr als 25 Jahre Berufserfahrung.

Naumann startete seine berufliche Laufbahn als Leiter des Kundendienstes für GSM-Telefone und als Vertriebsleiter für GSM-Funkmodule bei Falcom. Er war Projektleiter und/oder Mitglied in verschiedenen Projektteams für Funkanwendungen in der Telemedizin, GSM-Ortung ohne GPS oder GSM/GPS-basierte Ortungsgeräte – was heute unter den Begriffen »M2M« oder »IoT« läuft.

Naumann ist Autor von Fachaufsätzen in verschiedenen Magazinen, betreibt seit 2009 einen Blog zu den Themen IoT und M2M und hat das »IoT M2M Cookbook - How to develop a device on wireless modules« geschrieben.

harald.naumann@gsm-modem.de


Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Tekmodul