Kleine Entscheidung, große Wirkung Antennentechnologie für das Internet der Dinge

Mit drahtlosen Verbindungen ist es problemlos möglich, Devices auf der ganzen Welt zu konfigurieren und zu steuern. Vermeintlich kleine Entscheidungen, die in Bezug auf den Stromverbrauch und die Leistung der verteilten Systeme getroffen werden, haben deshalb große Auswirkungen für die Betreiber.

Es gibt viele verschiedenen Möglichkeiten, Geräte, Maschinen und Anlagen zu verbinden. Alle haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Dies gilt selbstverständlich auch für Antennendesigns. Die unlizenzierten Sub-GHz und 2,4-GHz-Bänder für Protokolle wie ZigBee und WiFi sind auf der ganzen Welt verfügbar, sie erfordern aber entsprechende Zugangspunkte. Mobilfunktechnologien wie GSM, GPRS und EDGE, 3G und LTE sind an deutlich mehr weltweiten Standorten verfügbar, unterstützt werden muss jedoch ein breites Frequenzspektrum, was sich negativ auf die Größe und den Energiebedarf der drahtlosen Knoten auswirkt. Die GNSS-Satellitenverfolgung über beispielsweise GPS stellt noch weitaus höhere Anforderungen an die Power- und Antennentechnologie. Auf der anderen Seite ermöglicht die Near Field Communication (NFC) besonders kleine, preiswerte Lösungen mit geringem Energieverbrauch und eignet sich insbesondere für einfache Tracking-Applikationen.

Für all diese Netze gibt es auch unterschiedlichste Antennenarchitekturen. Sie reichen von der einfachen einkanaligen Halbduplex-Verbindung bis zu vollwertigen, höchst leistungsfähigen MIMO- (Multiple Input, Multiple Output) RF-Frontends, die Effekte von Verzögerungen, Reflexionen und elektromagnetische Störungen reduzieren können, was zu höherem Datendurchsatz und größeren Verbindungskapazitäten führt.

All diese Faktoren machen die Entwicklung eines Antennensystems zunehmend komplex und den drahtlosen Knotenpunkt zu einem der erfolgskritischsten Designelemente. Antennen sind bei Auslegung von Systemen jedoch oft der limitierende Faktor. Eine Verdopplung der Ausgangsleistung eines Senders erhöht beispielswiese die Signalstärke beim Empfänger nur um 3 dB, während sich der Stromverbrauch der Batterie jedoch verdoppelt. Die Effizienz eines Systems kann aber auch gesteigert werden, indem man Antennen einsetzt, die den Arbeitsbereich und das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) auf vorgegebene Leistungspegel optimieren und so die Lebensdauer der Akkus zwischen dem Aufladen und Wechseln verlängern.

Antennen können zudem auch unterschiedlich implementiert werden: in oder auf einer Leiterplatte, als einfache Stränge (Tracks), mit Stichleitungen (Stubs) oder sogar fraktal und als bestückte Chipkomponenten, als externe Fingerantennen oder in vielen weiteren Formfaktoren. Welche Ausführung gewählt wird, ist oft abhängig vom Frequenzbereich und der Art der Applikation. Und all diese Ausführungen haben unterschiedliche Auswirkungen auf das SRV und den Stromverbrauch.

Unlizenzierte ISM-Netze

Weltweit gibt es drei wichtige und unlizenzierte Bänder, mit denen drahtlose Devices ohne Einschränkungen betrieben werden können. Beim 2,4-GHz-Band gibt es WLAN (802.11b, g und n), Bluetooth, ZigBee und weitere drahtlose Protokolle wie zum Beispiel Wireless HART. Alle benötigen Gateways oder Zugangspunkte, um einen Knoten mit dem Netzwerk zu verbinden. 802.11n arbeitet mit MIMO-Antennen und kann Datenraten von 54 Mbit/s bis hin zu 600 Mbit/s liefern. 802.11a arbeitet mit dem höheren, bislang noch weniger ausgelasteten 5-GHz-Band, während die ISM-Bänder des Sub-GHz Bereichs aufgrund von vielen unterschiedlichen Implementierungsarten und proprietären Protokollen überfüllt sind. Diese in Europa mit 868 MHz und in den USA mit 915 MHz betriebenen Bänder haben aber zum Aufbau einfacher Megabit-Verbindungen eine größere Reichweite und ein einfacheres Antennen-Design.

Weil aber auch WLAN auf der ganzen Welt beliebt ist, gibt es auch hier eine große Auswahl an Antennenlösungen für die 2,4-GHz- und 5-GHz-Bänder. Eine Dualband-Dipolantenne (2,4 oder 5 GHz) braucht z.B. keine Massen-fläche (Groundplane), sondern kann nach dem Abziehen der Trägerband-Schutzfolie auf eine geeignete Oberfläche geklebt werden. Der Wirkungsgrad beträgt 70% bei 5 GHz und 80% bei 2,4 GHz.

Für Konten- und Zugangspunkte (aka Basisstationen) gibt es jedoch unterschiedliche Anforderungen: Drahtlose Knotenpunkte müssen klein und energiesparend sein, da sie oft autonom mit Batterie und ggf. Solarzellen betrieben werden. Zugangspunkte werden hingegen immer ans Stromnetz angeschlossen. Bei ihnen ist es deshalb möglich, größere Antennen einzusetzen. Die bringen eine Verstärkung zwischen +2,4 dBi und +4,9 dBi bei einer Leistungsaufnahme bis zu 3 Watt.