5G-MIMO-Antennen für optimale Konnektivität und Ästhetik

Weltweit beschleunigt sich der Ausbau von 5G-Netzwerken, um höhere Datenraten, größere Kapazitäten und nahtlose Konnektivität zu erreichen. Die MIMO-Antennentechnologie (Multiple-Input Multiple-Output) ist entscheidend für die Erfüllung der Versprechen von 5G, einschließlich der gleichzeitigen Übertragung und des Empfangs mehrerer Datenströme, der verbesserten spektralen Effizienz und der allgemeinen Performance des Netzwerks.

Obwohl es zahlreiche Antennenoptionen gibt, erfordern viele Anwendungen kleine, flache MIMO-Antennen, die sich für platzbeschränkte Systeme eignen oder an diskreten Orten in Sicherheits-, Wohn-, Einzelhandels- und anderen Anwendungen eingesetzt werden können.

In diesem Artikel wird kurz auf die Herausforderungen bei der Entwicklung von kleinen und diskreten 5G-Komponenten eingegangen. Anschließend wird eine kompakte 5G/4G-MIMO-Antenne von Taoglas vorgestellt, die diese Designanforderungen erfüllt und gleichzeitig ein breites Spektrum, globale Kompatibilität und Einsatzfreundlichkeit bietet.

Anwendungen und Herausforderungen flacher, kompakter 5G-MIMO-Antennen

Die diskrete Installation kleiner, flacher 5G-MIMO-Antennen kann die in vielen Anwendungen erforderlichen Datenraten und Abdeckungen bereitstellen. Bei der Entwicklung von Unterhaltungselektronik und Sicherheitssystemen ist kompromisslose 5G-Performance ohne Beeinträchtigung der Ästhetik gefordert. In Anwendungen im Transportwesen und in der Industrie können kompakte Antennen die Sichtbehinderung oder Ablenkung durch größere konventionelle Antennen bei der Bedienung von Fahrzeugen oder Anlagen beseitigen. Dank kompakter Antennen lassen sich kleinere, eigenständige Anwendungen wie digitale Schildern, Verkaufskioske und Haushaltsgeräte leichter mit 5G-Konnektivität ausrüsten.

Für Anwendungen in industriellen Prozesssystemen und dem Internet der Dinge (IoT) bieten kleine 5G-MIMO-Antennen die einfache Bereitstellung von 5G-Netzwerkkonnektivität für entfernte Standorte oder als zusätzliche Konnektivitätsoption für bestehende Kommunikationsnetzwerke.

Durch die Verwendung mehrerer Antennen und die damit verbundene Verarbeitung können einzelne Datenströme gemultiplext werden, um die Zuverlässigkeit der Verbindung zu verbessern und Signalverluste zu kompensieren, damit hohe Datenraten aufrechterhalten werden können. MIMO-Antennen wirken der Verschlechterung des Signals aufgrund hoher Pfadverluste in der Millimeterwellenkommunikation und des Mehrpfadschwunds entgegen, der sich mit den in 5G-Netzwerken weit verbreiteten Kleinzellen verschärft.

Die MIMO-Technologie bietet zwar erhebliche Vorteile, birgt aber auch Herausforderungen bei der Implementierung. Zu diesen Herausforderungen gehören die Minimierung der gegenseitigen Kopplung und die Maximierung der Isolierung zwischen den Elementen einer MIMO-Antenne, um eine optimale Abstrahlperformance zu gewährleisten.

Bei früheren MIMO-Antennendesigns wurden diese Probleme durch Vergrößerung des physischen Abstands zwischen den Antennen gelöst. Damit wurde die Installation großer Antennensysteme erforderlich. Da die Entwicklung nunmehr auch räumlich begrenzten Installationen gerecht werden muss, wird der Platz für mehrere Antennen in einem MIMO-Antennendesign immer begrenzter. Infolgedessen verstärken sich Effekte wie gegenseitige Kopplung und reduzierter Wirkungsgrad.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert neue Ansätze mit hochentwickelten Materialien, Entkopplungsmethoden, Miniaturisierung und optimiertes Grundplattendesign.

Eine einfachere Lösung für die Installation von 5G-Antennen

Ein hervorragendes Beispiel für die Anwendung der neuen Ansätze ist die MIMO-Antenne der Serie MA322.A.001 Comet von Taoglas (Abbildung 1). Diese Komponente bietet 5G-MIMO-Performance in einem puckähnlichen, flachen Formfaktor von 80 x 18,1 Millimetern (mm) und einem Gewicht von 113 Gramm (g).

Abbildung 1: Die 5G-MIMO-Antenne MA322 ist für eine einfache und diskrete Installation per Magnet- oder Haftmontage ausgelegt und misst nur 80 x 18,1 mm. (Bildquelle: Taoglas)

Der Formfaktor und das Gewicht der MA322 ermöglichen den Einsatz in Anwendungen, bei denen große und schwere Antennen nicht sinnvoll oder erwünscht sind. Außerdem erlaubt sie die Magnet- oder Haftmontage konzipiert und bietet damit 5G-Konnektivität für bestehende Anwendungen, in denen das Bohren von Löchern zu vermeiden ist. Dazu gehören Anwendungen im Rettungs- und Notfallwesen, die eine nachrüstbare 5G-Kommunikation benötigen. Um die Einbindung der Antenne in die jeweilige Zielanwendung zu vereinfachen, sind die MIMO-1- und -2-Anschlüsse dieser Antenne mit einem 2 Meter (m) langen, verlustarmen Kabel mit Hochfrequenz-Subminiatur-Steckverbindern der Version A (SMA) versehen.

Das für die Innen- oder Außeninstallation geeignete Antennengehäuse unterstützt einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und ist IP67-geschützt mit Staubdichtigkeit und Wasserdichtigkeit bis zu einer Wassertiefe von 1 m. Die Gehäuse bestehen aus Acrylnitril-Styrol-Acrylat-Kunststoff (ASA), um die langfristige für dauerhafte Außeninstallationen erforderliche UV-Stabilität zu gewährleisten. Außerdem ist ein separates Schaumklebepad von 3M im Lieferumfang enthalten, das die Montage auf nicht magnetischen Oberflächen ermöglicht.

Die Antenne entspricht den Vorschriften der europäischen Union (EU) zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) und der EU-Gesetzgebung zur Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS).

Leistungsstark mit weltweiter Mobilfunkunterstützung

Bestehend aus zwei leistungsstarken 5G/4G-Antennen unterstützt die MA322 internationale 5G-Mobilfunkfrequenzen sowie die 4G-, 3G- und 2G-Bänder von 617 Megahertz (MHz) bis 5925 MHz. Dabei bietet sie Leistungscharakteristiken, die kleinen Antennen in der Regel fehlen.

Mit ihrer geringen Rückflussdämpfung und einem spezifizierten Stehwellenverhältnis von null arbeitet die Antenne MA322 mit für kleine Antennen typischen Wirkungsgraden, ohne die Signalleistung zu beeinträchtigen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Dank ihrer innovativen Konstruktion bietet die MA322 Wirkungsgrade, die bei Antennen ähnlicher Größe in Puckform bisher nicht erreicht werden konnten. (Bildquelle: Taoglas)

Die Antenne MA322 wurde entwickelt, um die Anforderungen hinsichtlich der Kommunikation über große Entfernungen und der Verringerung von Streuverlusten zu erfüllen und erreicht über ihren gesamten Betriebsbereich stabile Spitzenverstärkungswerte (Abbildung 3) bei einem hervorragenden ungerichteten Abstrahlmuster (Abbildung 4). Ihre maximale Spitzenverstärkung beträgt 4,2 Dezibel isotrop (dBi) und ihr Betriebsfrequenzbereich umfasst das 3550-MHz-Frequenzband, das innerhalb der in den USA und Europa häufig verwendeten 5G-Bänder liegt.

Abbildung 3: Die MA322 erfüllt die Anforderungen an eine stabile Spitzenverstärkung und erreicht eine spezifizierte maximale Spitzenverstärkung von 4,2 dBi. (Bildquelle: Taoglas)

Abbildung 4: Die MA322 bietet extrem gleichförmige Abstrahlmuster über ihren gesamten Betriebsfrequenzbereich, einschließlich des hier gezeigten Frequenzbands von 3550 MHz. (Bildquelle: Taoglas)

Mit ihrer stabilen Performance und einfachen Installation bietet die Antenne MA322 eine installationsbereite 5G-Lösung für eine wachsende Zahl von Anwendungen.

Fazit:

Die Verfügbarkeit hochentwickelter Materialien und Konstruktionsverfahren hat die Entwicklung der kleinen MIMO-Antennen von Taoglas ermöglicht, die die für den 5G-Betrieb erforderliche Verstärkung und Effizienz erreichen können. Mit diesen flachen, kompakten Antennen lassen sich platzbeschränkte Anwendungen, bei denen Schutz, Ästhetik und Einsatzfreundlichkeit gefragt sind, leicht mit 5G-Komponente ausrüsten.