Jenseits der Drähte: Antennen entwickeln sich weiter und passen sich den anspruchsvollen Anforderungen drahtloser Anwendungen an

Antennen sind wahrhaft wundersame Geräte. Sie sind gleichzeitig magisch, mystisch und absolut unverzichtbar für unsere drahtlose Welt. Seit Heinrich Hertz in den 1880er Jahren erstmals eine Funkenstrecke - eine grobe Art von Antenne - verwendete, um Signale als drahtlose Energie über einen Tisch zu senden, sind Antennendesign und -implementierung entscheidend für den Erfolg drahtloser Geräte und der von ihnen unterstützten Kommunikationsverbindungen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dies ist eine moderne Version der Anordnung, die Heinrich Hertz verwendete, um das mysteriöse Phänomen zu untersuchen, das wir heute als die Übertragung von Energie über elektromagnetische Felder kennen. (Bildquelle: Lesics Engineers Pvt. Ltd.)

Was genau macht eine Antenne (im Vereinigten Königreich „Aerial“ genannt)? Aus physikalischer und leistungsbezogener Sicht ist es ein Wandler zwischen der elektrischen Leistung eines Stromkreises, die durch Volt und Ampere dargestellt wird, und einem elektromagnetischen (EM) Feld im freien Raum, das durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben wird. In einem späteren Blog werden wir uns etwas näher mit der Physik befassen, aber für den Moment genügt es zu wissen, dass sie Reziprozität aufweisen und richtungsunabhängig sind, da sie in der Lage sind, elektrische Energie von einem Schaltkreis in den freien Raum abzustrahlen und auch EM-Energie aus der Umgebung aufzunehmen und an einen Schaltkreis zu liefern.

Eine Antenne kann ein sehr einfaches Stück Draht sein oder eine verblüffend komplexe Konfiguration mit vielen Elementen, sorgfältigen geometrischen Anordnungen und ausgeklügelten Verbindungen. Ihre Größe reicht von Millimetern bis hin zu riesigen Arrays, die mehrere Hektar Fläche einnehmen, wobei die Größe von der Frequenz, der Leistung und anderen erforderlichen Leistungsmerkmalen sowie von den Platzverhältnissen des Systems abhängt, das sie unterstützen.

Wie bei allen Bauteilen werden sie zunächst durch einige Spitzenparameter und anschließend durch zahlreiche sekundäre Parameter charakterisiert. Natürlich kann bei manchen Anwendungen auch ein sekundäres Attribut sehr wichtig sein. Zu den wichtigsten Attributen, die von Interesse sind, gehören:

• Betriebsfrequenz: Die Mitte der Frequenz oder des Bandes, in dem die Antenne eine nützliche Leistung erbringt.
• Bandbreite: Die Breite des Spektrums, in dem die Antenne arbeitet, und ob es sich um ein Einband- oder Mehrbanddesign handelt.
• Wirkungsgrad: Die Fähigkeit, elektromagnetische Energie abzustrahlen oder einzufangen.
• Abstrahlung: Das Muster in einer horizontalen 360⁰-Ebene (Azimut) und der vertikalen Ebene (Elevation) (Abbildung 2).

Abbildung 2: Zu den vielen Antenneneigenschaften, die von Interesse sind, gehören die Strahlungsformen in Azimut und Elevation. (Bildquelle: VCEguide)

Es gibt für diese Faktoren keine simple Rangfolge für Gut/Besser/Bester. Einige Anwendungen benötigen beispielsweise mehr Bandbreite, während andere weniger Bandbreite benötigen, um die Anforderungen der Anwendung optimal zu erfüllen.

Während die ideale Antenne bei ihrer Betriebsfrequenz wie eine rein ohmsche Last aussieht (typischerweise 50 oder 75 Ω), hat die Impedanz der meisten realen Antennen auch eine reaktive Komponente. Gleichzeitig hat der Ausgang des Senders, der die Antenne ansteuert (oder der an die Antenne angeschlossene Empfänger), seine eigene reaktive, nicht resistive Impedanz. Die Kombination dieser beiden Gegebenheiten erfordert häufig eine Anpassung dieser Impedanzen.

Entgegen der Intuition bedeutet „angepasste Impedanz“ nicht, dass diese Impedanzen gleich sind. Stattdessen bedeutet es, dass die Quellenimpedanz und die Lastimpedanz komplex konjugiert zueinander sind, eine Bedingung, die zu einer maximalen Leistungsübertragung zwischen den beiden führt. Wie bei den Antennen gibt es unzählige Anordnungen, Komponenten und Techniken, um die Impedanztransformation für diese Anpassung zu realisieren, einschließlich der Verwendung diskreter passiver Komponenten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Dieses repräsentative Symmetrierglied verwendet Kondensatoren und Widerstände zur Impedanzanpassung an eine Antenne, die sowohl resistive als auch induktive Impedanzkomponenten aufweist. (Bildquelle: ResearchGate)

Für die Verbindung zwischen Sender und Antenne ist es das Ziel, das Stehwellenverhältnis (VSWR) nahe an Eins zu bringen, was eine effiziente Leistungsübertragung bedeutet, bei der keine reflektierte Leistung zur Quelle zurückkommt.

Lassen Sie sich nicht überwältigen

In Anbetracht der unendlich vielen Antennentypen und -konfigurationen kann das gesamte Thema überwältigend erscheinen. Zum Glück gibt es einen grundlegenden Punkt, den man im Auge behalten sollte: Fast alle Antennen sind aus einem von zwei Grundbausteinen aufgebaut. Dabei handelt es sich um die „unsymmetrische“ Monopolantenne mit einer realen (oder virtuellen) Grundplatte, die durch einen langen Draht oder eine Peitsche gekennzeichnet ist (Abbildung 4), und um die symmetrische, nicht geerdete Dipolantenne (Abbildung 5). Diese Grundelemente werden oft allein verwendet, aber sie werden auch zu größeren, komplexeren Antennenkonfigurationen zusammengefügt.

Abbildung 4: Die Langdraht- oder Peitschenantennenanordnung ist ein Einzelelement-Design mit einer Grundplatte (hier das Autodach, links); das Diagramm der Antenne zeigt ihre Einfachheit (rechts). (Bildquellen: Lihong Electronic; Electronics Notes)

Abbildung 5: Der Basisdipol ist eine symmetrische Antenne ohne Massebezug (links), wie das Diagramm (rechts) zeigt. (Bildquellen: TCARES.net; Tutorials Point)

Ein Symmetrierglied (auf englisch „Balun“ als Abkürzug für „balanced-unbalanced“) genannter Adapter stellt bei Bedarf einen elektrischen Übergang zwischen einem unsymmetrischen, geerdeten Stromkreis und einem symmetrischen, ungeerdeten Dipol her und kann auch die Impedanz (in Ohm (Ω)) für eine resistive Anpassung zwischen Quelle/Empfänger und Antenne umwandeln (Abbildung 6).

Abbildung 6: Dieses passive Symmetrierglied wandelt eine unsymmetrische Impedanz von 50 Ω in eine symmetrische Impedanz von 300 Ω um. (Bildquelle: Pinterest)

Mit der Zunahme von Frequenzen, Komplexität und Flexibilität der Anwendungen haben sich auch die Antennensysteme weiterentwickelt. 5G-Zugangspunkte verwenden beispielsweise mehrere Antennen in einer Phased-Array-Anordnung, bei der die einzelnen Antennenelemente durch Phasenverschiebung ihrer Einspeisungen elektronisch gesteuert werden; dies ist eine Weiterentwicklung der ursprünglich in Militärradaren verwendeten Technologie, die wiederum die mechanische Bewegung der gesamten Antennenbaugruppe ersetzte.

Andere Antennen sind winzige dielektrische Keramikresonatoren, d.h. miniaturisierte Antennen im Chipmaßstab mit metallisierten Grundflächen. Andere wiederum verwenden die Leiterplatte des Endprodukts für ihre Massefläche (referenzbezogen) oder Dipolantennenelemente.

Wie wählen Sie angesichts der Komplexität der Antennen und ihrer möglichen Konfigurationen eine für Ihre Anwendung aus? Sie beginnen mit den Tausenden von Antennen aller Größen und Leistungsmerkmale, die als Standard- oder Katalogware erhältlich sind. Diese Antennen werden mit ausführlichen Datenblättern geliefert, in denen die in der Praxis getesteten Leistungen und Eigenschaften aufgeführt sind.

Wenn ein neues Antennendesign erforderlich ist, um besondere Größen-, Frequenz- oder Leistungsmerkmale zu erfüllen, sind moderne Simulations- und Modellierungswerkzeuge äußerst leistungsfähig. Diese EM-Feldsimulatoren können die elektrische und magnetische Feldleistung (das E- bzw. H-Feld) von nahezu jeder Antennenkonfiguration modellieren (Abbildung 7).

Abbildung 7: Moderne EM-Feldmodellierungstools können die Leistung einfacher und komplexer Antennenkonfigurationen quantitativ bewerten. (Bildquelle: Altair Engineering, Inc.)

Diese Tools sind inzwischen so ausgereift, dass sie auch reale Antennenprobleme berücksichtigen können, wie z. B. „Fransen“-Effekte von EM-Feldern an den Enden der Elemente, deren Dicke nicht gleich Null ist. Sie können sogar die Auswirkungen benachbarter Komponenten und Oberflächen sowie die unvermeidlichen Parasiten modellieren.

Im Allgemeinen können diese Modellierungsprogramme analysieren, aber nicht erstellen, während einige sogar beim Entwurf der benötigten Antenne helfen können, indem sie Alternativen anbieten und Änderungen vorschlagen. Die Forscher fügen diesen Programmen künstliche Intelligenz (KI) hinzu, die es ihnen ermöglicht, viele mögliche Konfigurationen zu entwickeln, zu untersuchen und zu analysieren, um die vorgegebenen Leistungsziele zu erreichen. Sie können sogar die Kompromisse aufzeigen, die bei der Auswahl des endgültigen Entwurfs erforderlich sein könnten.

Fazit

Antennen können je nach Anwendung und Prioritäten die einfachsten oder die anspruchsvollsten und vielfältigsten Elemente eines Entwurfs sein. Mit der Zunahme der Betriebsfrequenzen und der Überlastung des Spektrums müssen Antennen mehr leisten und besser werden, trotz neuer Einschränkungen und schwierigerer Priorisierung und Gewichtung ihrer vielfältigen Leistungsparameter und Fähigkeiten. Bleiben Sie dran, wenn wir das Thema weiter vertiefen.

Empfohlene Lektüre

„Antennen: Design, Anwendung und Leistung“

https://www.digikey.de/de/articles/antennas-design-application-and-performance

„Die Antennenauswahl hängt von vielen Faktoren ab“

https://www.digikey.de/de/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

„Antennenspezifikationen und -betrieb, Teil 1“

https://www.digikey.de/de/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

„Antennenspezifikationen und -betrieb, Teil 2“

https://www.digikey.de/de/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

„Anwendung von Chip- und Patch-Antennen zur Lösung von Diversitäts- und Multiband-HF-Problemen“

https://www.digikey.de/de/articles/applying-chip-patch-antennas-diversity-multiband-rf-issues