Verständnis der Feinheiten eines Datenblatts für IoT-Antennen

Wenn Sie ein drahtloses Produkt für das Internet der Dinge (IoT) entwickeln, müssen Sie sich mit Antennen und ihrer Rolle als einzige Schnittstelle zwischen dem Produkt und der Außenwelt auseinandersetzen. Bei der falschen Wahl der Antenne kann Ihr Endprodukt zwar kommunizieren, aber seine Performance wird so stark beeinträchtigt, dass die Benutzer es möglicherweise aufgeben und sich einem anderen Anbieter zuwenden.

Das Problem für viele Designer besteht darin, dass es eine unüberschaubare Anzahl von Antennenlösungen zu geben scheint, was den Auswahlprozess etwas entmutigend macht. Wie können Sie also die beste Antenne für Ihr Design auswählen?

Manche Entscheidungen sind leichter als andere. Beginnen Sie mit der Suche nach einer Antenne, die für das Betriebsband Ihres Designs optimiert ist. Wenn das Produkt beispielsweise LoRa nutzt und auf den US-Markt abzielt, sollte die Antenne für den Betrieb im Frequenzband von 902 bis 928 Megahertz (MHz) optimiert sein. Wenn das Gerät Dualband-Wi-Fi unterstützt, sollte die Antenne so optimiert sein, dass sie sowohl im 2,4-GHz- als auch im 5-GHz-Frequenzband funktioniert.

Als Nächstes sollten Sie den Formfaktor des Endprodukts berücksichtigen. Wenn zum Beispiel ein für Bluetooth Low Energy (LE) ausgelegter Sensor sehr kompakt sein muss, dann könnte die ST0147-00-011-A von Amphenol, eine 2,4-GHz-Chipantenne für die Oberflächenmontage, eine gute Option sein. Sie misst nur 3,05 x 1,6 x 0,55 Millimeter (mm) und wird direkt auf der Platine des Geräts montiert. Ein Beispiel für ein viel größeres Gerät ist ein Wi-Fi-Zugangspunkt (AP). Er bietet viel Platz für die Antenne und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an eine gute Reichweite und einen hohen Durchsatz. Eine gute Option ist hier die externe Peitschenantenne ST0226-30-002-A von Amphenol (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die externe Peitschenantenne ST0226-30-002-A eignet sich für Anwendungen wie Dual-Band-Wi-Fi-Zugangspunkte. (Bildquelle: Amphenol)

Nach den Betriebsbändern und Formfaktoren werden die Dinge etwas komplexer. Die Auswahl einer Antenne, die den Spezifikationen für Stromverbrauch, Zuverlässigkeit, Reichweite und Durchsatz entspricht, erfordert ein angemessenes Verständnis des Datenblatts.

Unter der Haube

Nehmen Sie ein typisches Datenblatt, z. B. das der ST0224-10-401-A von Amphenol (Abbildung 2). Dies ist eine Wi-Fi-HF-Leiterbahnantenne, die sich für intelligenter Zähler und industrielle IoT-Anwendungen (IIoT) eignet und intern montiert werden kann. Das Datenblatt enthält Informationen über das Strahlungsdiagramm, die maximale Leistungsübertragung, den Frequenzgang, die Verstärkung und den Wirkungsgrad der Komponente. Betrachten wir nun die Bedeutung jedes dieser Parameter.

Abbildung 2: Die Wi-Fi-HF-Leiterbahnantenne ST0224-10-401-A kann intern montiert werden und eignet sich für intelligenter Zähler und IIoT-Anwendungen. (Bildquelle: Amphenol)

Strahlungsdiagramm: Hier wird grafisch dargestellt, wie die Antenne im 3D-Raum Funkenergie abstrahlt (oder absorbiert) (Abbildung 1). Das Datenblatt zeigt in der Regel zwei oder drei Schnitte durch das 3D-Strahlungsdiagramm, von denen einer die Spitzenabstrahlung in der XY-Ebene und der andere die Spitzenabstrahlung in der ZY- (und/oder ZX-) Ebene zeigt (Abbildung 3). Häufig werden die Ebenendiagramme als „Azimut“ (XY-Ebene) und „Elevation“ (orthogonal zur XY-Ebene, z. B. über die ZY-Ebene) bezeichnet, wenn die Antenne so montiert ist, wie sie im Endprodukt verwendet werden soll.

Abbildung 3: Dargestellt sind die Spitzenstrahlungsdiagramme für eine Wi-Fi-Leiterbahnantenne in der XY-Ebene (links) und der ZY-Ebene (rechts). (Bildquelle: Amphenol)

Eine Rundstrahlantenne, z. B. eine Dipolantenne, strahlt oder empfängt Funkenergie relativ gleichmäßig in alle Richtungen. Dies eignet sich für viele IoT-Anwendungen, da der Entwickler häufig die Vernetzung zwischen Geräten in beliebiger Ausrichtung zueinander sicherstellen muss. Das Datenblatt für die Antenne ST0224-10-401-A von Amphenol zeigt, dass es sich um eine omnidirektionale Komponente handelt.

Der Nachteil einer Rundstrahlantenne ist, dass die Sendeenergie über die Oberfläche einer sich ausdehnenden Kugel abgeleitet wird, was die Signalstärke exponentiell abschwächt und die Reichweite beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu verwenden Richtantennen Techniken wie die Strahlformung, um die Funkenergie in eine bestimmte Richtung zu lenken und so die Reichweite zu erhöhen.

Maximale Leistungsübertragung: Dies ist der Fall, wenn die Impedanz der Übertragungsleitung (Z₀) der Impedanz der Antenne (Z_a) entspricht. Selbst bei gut konzipierten Schaltungen zur Impedanzanpassung wird in der Regel ein Teil der Leistung von der Antenne über die Übertragungsleitung zurückreflektiert. Ein gängiges Maß dafür, wie gut die Impedanzen Z₀ und Z_a abgestimmt sind, ist das Spannungsstehwellenverhältnis (VSWR). Ein VSWR von 1 bedeutet keinen Verlust durch Impedanzfehlanpassung, während höhere Werte zunehmende Verluste anzeigen.

Ein VSWR von 3,0 bedeutet zum Beispiel, dass etwa 75 % der Leistung an die Antenne abgegeben wird. Das Leistungsverhältnis der reflektierten Welle zur einfallenden Welle wird als Rückflussdämpfung (RL) bezeichnet. Sie gibt die Verringerung der Leistung der reflektierten Welle in Dezibel (dB) unter die der einfallenden Welle an. Ein VSWR unter 1,5 (ein RL von ≈ 14 dB) ist eine zufriedenstellende Anpassung. Die Antenne ST0224-10-401-A-10 von Amphenol hat einen RL von -10 dB beim Betrieb in den Frequenzbändern 2,4 und 5 GHz.

Da RL auch von der Funkfrequenz abhängt, sollte der Entwickler den Frequenzgang der Antenne überprüfen, um sicherzustellen, dass RL im vorgesehenen Betriebsband minimiert wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: RL ist von der Frequenz abhängig. Der Entwickler sollte sicherstellen, dass die Antenne bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz ein Minimum an RL bietet. (Bildquelle: Amphenol)

Verstärkung und Wirkungsgrad: Die Verstärkung beschreibt, wie viel Leistung in der Richtung der Spitzenabstrahlung übertragen wird, und wird in der Regel in dB angegeben, bezogen auf eine isotrope Antenne (dBi). Die Verstärkung hängt mit der Richtwirkung und dem Wirkungsgrad der Antenne zusammen. Die Richtwirkung misst die Richtcharakteristik des Strahlungsdiagramms der Antenne. Eine perfekte Rundstrahlantenne hat beispielsweise keine Richtwirkung und ein Richtverhältnis von 1 (oder 0 dB). Die Richtwirkung wird in der Regel als Spitzenwert entsprechend der Abstrahlcharakteristik (D_max) angegeben. Die Verstärkung wird in den technischen Daten einer Antenne häufiger angegeben als die Richtwirkung, da sie die VSWR-Fehlanpassung und die Energieverluste berücksichtigt.

Der Wirkungsgrad (η) ist das Verhältnis der gesamten abgestrahlten Leistung (TRP oder P_rad) zur Eingangsleistung (P_in). TRP wird durch Integration der über die gesamte Abstrahlcharakteristik abgestrahlten Leistung berechnet. Um η zu berechnen, verwenden Sie die Formel η = (P_rad/P_in) * 100%. Die Spitzenverstärkung der Antenne ist dann Gain_max = η * D_max.

Eine Sendeantenne mit einem Gewinn von 3 dB strahlt die doppelte Leistung einer verlustfreien isotropen Antenne mit der gleichen Eingangsleistung ab. Eine verlustfreie Antenne ist eine Antenne mit einem Wirkungsgrad von 0 dB (oder 100 %). In ähnlicher Weise würde eine Empfangsantenne mit einer Spitzenverstärkung von 3 dB doppelt so viel Leistung empfangen wie eine verlustfreie isotrope Antenne. Für unser Amphenol-Beispiel beträgt die Spitzenverstärkung 2,1 dBi im 2,4-GHz-Band und 3,1 dBi im 5-GHz-Band.

Eine hohe Verstärkung ist nicht immer eine gute Sache. Wenn die Richtung des eingehenden Signals nicht bekannt ist, ist es besser, eine Antenne mit niedriger Verstärkung (geringer Richtwirkung) zu verwenden, um eine zufriedenstellende Antwort auf Signale aus allen Richtungen zu gewährleisten. Ein Beispiel dafür ist die Antenne eines Smartphones. Diese muss eine geringe Verstärkung aufweisen, da die ein- und ausgehenden Signale zur nächstgelegenen Mobilfunk-Basisstation in beliebiger Richtung kommen und gehen.

Fazit

Die Antenne ist eine entscheidende Komponente eines IoT-Produkts. Die falsche Wahl kann die Leistung des drahtlosen Geräts drastisch beeinträchtigen. Einige Teile des Auswahlprozesses, wie die Anpassung der Antenne an die Betriebsfrequenz und die Auswahl einer Antenne, die in den verfügbaren Raum passt, sind einfach. Der Schlüssel zur Auswahl der richtigen Antenne liegt darin, die im Datenblatt verwendeten Begriffe zu verstehen und besonders auf Strahlungsdiagramm, maximale Leistungsübertragung, Frequenzgang und Verstärkung zu achten.