Antennen für 5G

Die optimale Auswahl von Antennen erfordert Fachwissen

28. Februar 2022, 6:00 Uhr | Colin Newman
Welche Antenne ist die Richtige?
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Nicht jeder Entwickler von Embedded-Systemen und IoT-Geräten kann gleichzeitig auch HF-Ingenieur sein. Doch ein paar Grundkenntnisse über Antennen sollten bekannt sein, um frühzeitig im Entwicklungsprozess die richtigen Entscheidungen treffen zu können.

Die 5G-Mobilfunktechnik verspricht zahlreiche Vorteile. Dazu gehören höherer Durchsatz, geringere Latenzzeiten und bessere Netzwerkkapazität. In Summe bedeutet das einen besseren Zugriff auf das Internet für noch mehr Geräte. Videos und jede Art von Daten lassen sich schneller übertragen. Somit eröffnet sich eine Fülle neuer Möglichkeiten für Unternehmen und Privatanwender.

Diese Vorteile lassen sich nur dann nutzen, wenn die zugrunde liegenden Telekommunikationsnetze und Mobilfunkprodukte entsprechend optimiert wurden. Eine optimale auf 5G angepasste Leistung mobiler Geräte betrifft die komplette HF-Eingangsstufe. Nur bei geeigneter Konfiguration kommen die 5G-Vorteile tatsächlich auch zum Tragen.

Die Optimierung betrifft die Konstruktion und die Antennenauswahl. Für viele per Funk kommunizierende Geräte eignen sich in großer Stückzahl produzierte Antennen, von denen mehrere Varianten zur Auswahl stehen.

Zu den gängigen Typen zählen derzeit Antennen, die mit Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) oder im Flüssigkristall-Polymer-Verfahren (LCP) hergestellt wurden.  Es gibt aber auch speziell angepasste Antennen beziehungsweise Geräte, die für den Einsatz mehrfacher Antennentypen konzipiert wurden, wie zum Beispiel für Multiple Input Multiple Output (MIMO) oder elektronisch gesteuerte Antennenarrays (Beamforming).

Auswahl und Konstruktion von Antennen sind keineswegs trivial

Jeder Antennentyp hat charakteristische Eigenschaften und muss für eine gute Leistung an das jeweilige Funkmodul angepasst werden. Typischerweise ist die optimale Anpassung von 5G-Antennen recht komplex, so dass Hersteller von Geräten mit Funkschnittstelle gut beraten sind, hier mit den Anbietern von Antennen und Funkmodulen zusammenzuarbeiten. Sie haben die nötige Erfahrung mit allen Antennentypen und wissen, unter welchen Umständen sich die Antennen wie erwartet verhalten. Nur mit entsprechender technischer Expertise und Unterstützung können letztlich auch die Endkunden von den 5G-Vorteilen der Geräte profitieren.

Dieser Sachverstand hilft auch bei den diversen Herausforderungen der Antennenkonstruktion und der Nutzung neuer Techniken wie z.B. 5G-Millimeterwellen. So ist die Positionierung der Antenne maßgeblich für deren Leistung und muss daher bereits in einem sehr frühen Stadium der Produktentwicklung berücksichtigt werden. Passiert dies erst nach der Entwicklungsphase, können durch Änderungen und Anpassungen Zusatzkosten und zeitliche Verzögerungen entstehen, die letztlich Umsatz und Gewinn mindern und zu einer verspäteten Marktreife führen.

Ähnlich verhält es sich mit vielen weiteren Aspekten der Geräteentwicklung. Dazu zählen die Wahl des passenden Gehäusematerials (Plastik oder Metall) sowie die Positionierung von Batterien, Displays, Anschlüssen, Abschirmgehäusen und anderer metallhaltiger Komponenten. Außerdem ist die Positionierung und Ausrichtung von Leiterplatten oder Bauteilen, die Störsignale und Interferenzen verursachen können, zu berücksichtigen. Ebenfalls müssen weitere Antennen, die denselben Frequenzbereich nutzen, und natürlich der vorgesehene Standort der Geräte in die Entwicklung eingehen, um hier nur einige Faktoren zu nennen.

Eine kleine Antennen-Klassifikation

Antennen für Mobilfunkanwendungen lassen sich grob in folgende Kategorien einteilen:

Welche Antenne ist optimal?

Externe Antenne mit Anschlusskabel
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Terminal-Antenne
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SMT-Antenne
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1. Externe Antenne mit Anschlusskabel (Bild 1)

Diese Antennen sind einfach zu implementieren, da sie keine Anforderungen an die Konstruktion des Kundenproduktes stellen, weil die Antenne weit weg vom Gerät montiert und über ein Kabel und einen Stecker, häufig SMA, angeschlossen wird. Die Antennen sind in der Regel Dipole und arbeiten unabhängig von einer Massefläche.

Da sie außerhalb des Gerätes (extern) – auch im Freien – montiert werden und größer sind, bieten sie die beste Leistung und stellen für die Geräteentwickler nur ein geringes Risiko dar. Durch die externe Platzierung, vom Funkgerät entfernt, können TRP (Total Radiated Power) und TIS (Total Isotropic Sensitivity) sowie bei Antennenkombinationen auch ECC-Probleme (Envelope Correlation Efficiency) minimiert werden, was das Bestehen von Zertifizierungen – z.B. PTCRB für Nordamerika – und Freigaben von Mobilfunknetzbetreibern erleichtert.

Externe Antennen sind auch sehr gut einsetzbar, wenn ein Gerät in einem Bereich mit geringem Empfangssignalpegel montiert wird, zum Beispiel unterirdisch. In diesem Fall kann die Antenne an einem Standort mit besseren Signalbedingungen montiert und per Kabel mit dem Gerät verbunden werden. Die Kabellänge kann allerdings die Empfindlichkeit verringern, so dass es Einschränkungen in Bezug auf die Gesamtleistung der Antenne gibt.

2. Terminal-Antennen (Bild 2)

Ebenfalls extern, aber jetzt wird die Antenne, typischerweise über einen SMA-Stecker, direkt an der Außenseite des Produktgehäuses angebracht. Typische Anwendungen sind hier Router und Terminals. Auch diese Antennen bieten eine gute Leistung und ein geringes Risiko, da auch sie TRP- und TIS-Probleme minimieren. Außerdem sind sie leicht austauschbar.

3. Embedded Flex-PCB- und SMT-Antennen (Bilder 3 und 4)

Diese Antennen bestehen in der Regel aus den Typen SMD (Surface-Mounted Device) oder FPC (Flexible Printed Circuit) mit einem Kabel und einem Stecker. SMT-Antennen sind häufig aus FR4 oder Keramik (Standardantenne), können aber auch aus gestanztem Metall oder einem Kunststoffträger, auf dem sich entweder ein gestanztes Metall-, FPC- oder LDS-Antennenmuster befindet. Bei LDS-Antennen handelt es sich in der Regel um kundenspezifische Sonderanfertigungen.

Eingebettete Antennen sind in IoT-Produkten aus ästhetischen Gründen weit verbreitet – niemand mag es, wenn die Antenne aus dem Gerät herausragt, vor allem nicht bei Konsumgeräten – und weil sie kostengünstiger sind und sich leicht in großen Mengen herstellen lassen, z.B. FPC. Bei eingebetteten Antennen ist mehr Sorgfalt bei der Entwicklung und ein besseres Verständnis der HF-Technik erforderlich.

SMT-Antennen (Bild 3) nutzen die sie tragende Leiterplatte zur Abstrahlung, so dass unter anderem sich die benachbarten Komponenten, das Gehäuse, die Batterie, das Display auf die Leistung und den Wirkungsgrad der Antenne auswirken. Die Antenne wird sich zudem verstimmen, sobald sie eingebaut ist und die Leiterplatte ins Gerätegehäuse eingebaut wurde. Mit der Anpassungsschaltung, z.B. π-Schaltung, muss die Antenne wieder auf den gewünschten Frequenzbereich abgestimmt werden.

Bei FPC-Antennen (Bild 4) ist auch das Kabel Teil der Antenne, so dass die Art der Verlegung die Leistung beeinflussen kann.

Da sich eingebettete Antennen im Inneren des Gerätes befinden, sind sie anfällig für Störsignale, die die Leistung des ganzen Gerätes und die Gerätezulassung beeinträchtigen können.

4. Maßgeschneiderte Antennen (Bild 5)

Standardantennen sind nicht für alle Anwendungen und Geräte geeignet. In einem solchen Fall muss eine kundenspezifische Antenne in Betracht gezogen werden. Hier kann die Antenne so gestaltet werden, dass sie zum Design des Produkts passt, und es besteht die Möglichkeit, ein Material zu verwenden, das die beste Leistung im Verhältnis zu den Kosten bietet. Kundenspezifische Antennen benötigen mehr Zeit und müssen mit Werkzeugkosten und Zeitrahmen kalkuliert werden, so dass sie besser für in großer Serie produzierte Geräte geeignet sind.

Darüber hinaus werden auch einstellbare Antennen in Betracht gezogen, bei denen die Massefläche der Leiterplatte kurz ist. Dafür kann entweder eine Standard- oder eine kundenspezifische Antenne verwendet werden. Zwischen der Antenne und dem HF-Modul befindet sich ein IC mit HF-Schalter für die Abstimmung. Dieser Schalter kann verschiedene Anpassungsnetzwerke (π-Schaltungen) für niedrige, mittlere und hohe Bänder auswählen, statt nur ein Anpassungsnetzwerk für den gesamten Frequenzbereich.

Vor- und Nachteile unterschiedlicher Produktionsmethoden

Die LDS-Produktionsmethode wird auch für maßgeschneiderte Antennen verwendet, denn sie erlaubt eine große Flexibilität bei der Gestaltung. So können diese Antennen beispielsweise auch auf Kunststoffträger oder die Gehäuseinnenseite geätzt werden. Das ist jedoch kostenintensiver als die Nutzung flexibler Leiterplatten (FPC) oder der Feinblechtechnik. Zudem ist diese Methode nicht für doppelt gekrümmte Oberflächen geeignet.

Wird alternativ FPC für die Antenne eingesetzt, können Federkontakte den Einbau erleichtern. Dennoch schränken flexible Leiterplatten die Möglichkeiten des Layouts ein. Preislich liegt dieser Typ zwischen Feinblechtechnik und LDS.

Feinblechtechnik ist die flexibelste Herstellungsmethode für 3D-Antennen und ermöglicht eine weitergehende Optimierung von Antennenvolumen und HF-Leistung. Den geringen Gesamtkosten steht jedoch ein höherer Werkzeugkostenanteil als bei FPC und LDS gegenüber.

Bei der Vielzahl unterschiedlicher Antennentypen, Komponenten und Konfigurationsmöglichkeiten ist es nicht einfach, den Überblick zu behalten. Einfach Kaufen, Einbauen und Nutzen ist hier sicher keine Lösung, wenn ein befriedigendes Ergebnis erreicht werden soll. Vielmehr muss die passende Antennen-Technik sorgfältig auf den beabsichtigten Einsatz und Standort der Geräte abgestimmt werden, damit diese am Ende mit optimaler Leistung – oder sogar überhaupt – ihren Dienst tun können.

 

Der Autor

Colin Newman, Director of Antenna Business Development bei Quectel
Colin Newman, Director of Antenna Business Development bei Quectel
© Quectel

Colin Newman

leitet bei Quectel das Antenna Business Development. Der Elektroingenieur hat mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Erkennung, Nutzung und Umsetzung von Wachstumschancen im Mobilfunkmarkt für Endgerätehersteller und Channel-Partner in den Regionen Europa, Nahost und Afrika sowie Nordamerika und Asien.

Vor seinem Engagement bei Quectel war Newman 13 Jahre für Antenova tätig, davon fünf Jahre als CEO.


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