Auswahl und Verwendung von Antennen für IoT-Geräte

Die zunehmende Verbreitung von Geräten für das Internet der Dinge (IoT) beschleunigt und inspiriert die Entwicklung innovativer Endprodukte weiter. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Antenne eine zentrale Rolle spielt, egal wie viel Kreativität und Aufwand in die Hard- und Software fließt. Wenn die Antenne nicht richtig funktioniert, ist die Leistung des Produkts stark beeinträchtigt.

Als Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem drahtlosen Netzwerk ist die Antenne ein entscheidender Teil des IoT-Gerätedesignprozesses. Sie wandelt am Sender elektrische Energie in eine elektromagnetische Hochfrequenzwelle (HF) um und wandelt am Empfänger ein eingehendes HF-Signal in elektrische Energie um. Die Leistung einer Anwendung kann optimiert werden, indem eine Antenne ausgewählt wird, die die wichtigsten technischen Parameter erfüllt. Die vielen verfügbaren Optionen und Überlegungen können jedoch zu verzögerten und kostspieligen Entwurfszyklen führen.

Dieser Artikel fasst die Rolle einer Antenne in einem drahtlosen IoT-Gerät zusammen und beschreibt kurz die kritischen Designkriterien, die ihre Auswahl beeinflussen. Der Artikel zeigt dann anhand von Beispielantennen von Amphenol, welche Antennen für einen Bluetooth-Low-Energy- (LE) oder Wi-Fi-Sensor, einen IoT-Asset-Tracker mit GNSS-Satellitenortungsfunktion, einen Wi-Fi-Zugangspunkt (AP) und ein LoRa-IoT-Gerät geeignet sind.

Interpretieren des Datenblatts

Die endgültige Performance einer Antenne hängt von technischen Entscheidungen ab, wie z. B. der Montageposition und dem Entwurf von Impedanzanpassungsnetzwerken. Eine gute Implementierung erfordert eine sorgfältige Durchsicht des Datenblattes der Antenne. Wichtige Parameter beinhalten:

• Strahlungsdiagramm: Hier wird grafisch dargestellt, wie die Antenne im 3D-Raum Funkenergie abstrahlt (oder absorbiert) (Abbildung 1).
• Maximale Leistungsübertragung: Eine gute Leistungsübertragung zwischen Antenne und Empfänger erfolgt, wenn die Impedanz der Übertragungsleitung (Z₀) an die der Antenne (Z_a) angepasst ist. Eine schlechte Impedanzanpassung erhöht die Rückflussdämpfung (RL). Das Stehwellenverhältnis (VSWR) gibt die Impedanzanpassung zwischen der Übertragungsleitung und der Antenne an (Tabelle 1). Hohe VSWR-Werte führen zu hohen Leistungsverlusten. Ein VSWR unter 2 ist im Allgemeinen für ein IoT-Produkt akzeptabel.
• Frequenzgang: Die Rückflussdämpfung (RL) hängt von der Funkfrequenz ab. Der Frequenzgang der Antenne sollte im Datenblatt nachgelesen werden, um sicherzustellen, dass RL bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz minimiert wird (Abbildung 2).
• Richtwirkung: Sie misst die Richtcharakteristik des Strahlungsdiagramms der Antenne. Die maximale Richtwirkung wird als D_max definiert.
• Wirkungsgrad (η): Das Verhältnis der gesamten abgestrahlten Leistung (TRP oder P_rad) zur Eingangsleistung (P_in) wird nach der Formel η = (Prad/Pin) * 100% berechnet.
• Verstärkung: Sie gibt an, wie viel Leistung in Richtung der Spitzenabstrahlung übertragen wird. Sie bezieht sich in der Regel auf eine isotrope Antenne und wird in dBi angegeben. Sie wird nach der Formel Gain_max = η * D_max berechnet.

Abbildung 1: Strahlungsdiagramme stellen grafisch dar, wie die Antenne Funkenergie im 3D-Raum abstrahlt oder absorbiert. In den Datenblättern wird in der Regel die maximale Ausdehnung in der XY- und YZ-Ebene angegeben, wenn die Antenne wie vorgesehen montiert ist. (Bildquelle: Amphenol)

Tabelle 1: Das VSWR gibt die Impedanzanpassung zwischen der Übertragungsleitung und der Antenne an. Ein VSWR unter 2 ist im Allgemeinen für ein IoT-Produkt akzeptabel. (Quelle der Tabelle: Steven Keeping)

Abbildung 2: VSWR und RL sind von der Frequenz abhängig. RL sollte bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz minimiert werden. (Bildquelle: Amphenol)

Steigerung der Performance

Eine Antenne mit schlechter Performance schränkt die Umwandlung von elektrischer Leistung in abgestrahlte Energie beim Sender und die Nutzung von Energie aus eingehenden HF-Signalen beim Empfänger ein. Schlechte Performance an einem der beiden Enden verringert die Reichweite der drahtlosen Verbindung.

Der wichtigste Faktor, der die Leistung der Antenne beeinflusst, ist die Impedanz. Eine erhebliche Fehlanpassung zwischen der Impedanz der Antenne (die mit der Spannung und dem Strom an ihrem Eingang zusammenhängt) und der Impedanz der Spannungsquelle, die die Antenne antreibt, führt zu einer schlechten Energieübertragung.

Eine gut konzipierte Impedanzanpassungsschaltung minimiert das VSWR und die daraus resultierenden Leistungsverluste, indem sie die Impedanz der Senderstromquellen an die der Antenne anpasst. Die Impedanz beträgt typischerweise 50 Ohm (Ω) für ein IoT-Produkt mit geringem Stromverbrauch.

Auch die Position der Antenne hat einen großen Einfluss auf die Sendeleistung und die Empfangsempfindlichkeit des Endprodukts. Für eine interne Antenne wird in den Designrichtlinien empfohlen, sie an der Oberseite des IoT-Geräts an der Kante der Leiterplatte und so weit wie möglich von anderen Komponenten entfernt zu platzieren, die während des Betriebs elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen könnten. Eine Ausnahme bilden die Impedanzanpassungskomponenten, die sich zwangsläufig in der Nähe der Antenne befinden. Die Flächen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte, die die Antenne mit dem Rest des Schaltkreises verbinden, sollten die einzigen Kupferleiter in einem definierten Freiraum sein (Abbildung 3).

Abbildung 3: Eine auf der Leiterplatte montierte Antenne sollte nahe am Rand der Leiterplatte angebracht werden. Die Antenne sollte auch in einem gewissen Abstand zu anderen Bauteilen (außer denen, die für die Impedanzanpassungsschaltung verwendet werden) montiert werden, indem ein Freiraum eingeplant wird. (Bildquelle: Amphenol)

(Weitere Einzelheiten zu den Richtlinien für das Antennendesign finden Sie unter „Verwendung von eingebetteten Multiband-Antennen zur Einsparung von Platz, Komplexität und Kosten in IoT-Designs.“)

Antennenarten

Die Festlegung der Antenne ist ein entscheidender Teil des Entwicklungsprozesses von IoT-Geräten. Die Antenne sollte für das HF-Band der drahtlosen Zielschnittstelle optimiert sein, z. B. NB-IoT für mehrere Bänder zwischen 450 Megahertz (MHz) und 2200 MHz, LoRa für 902 bis 928 MHz in Nordamerika, Wi-Fi für 2,4 Gigahertz (GHz) und 5 GHz und Bluetooth LE für 2,4 GHz.

Antennen verwenden unterschiedliche elektrische Konzepte. Beispiele sind Monopole, Dipole, Schleifen, invertierte F-Antennen (IFA) und planare invertierte F-Antennen (PIFA). Jede eignet sich für eine bestimmte Anwendung.

Es gibt auch referenzbezogene und Differenzsignalantennen. Referenzbezogene Antennen sind unsymmetrisch, während Differenzsignalantennen symmetrisch sind. Referenzbezogene Antennen empfangen oder senden ein Signal, das auf die Erdung bezogen ist, und die charakteristische Eingangsimpedanz beträgt typischerweise 50 Ω. Da jedoch viele HF-ICs über HF-Differenzsignalanschlüsse verfügen, ist bei Verwendung einer referenzbezogenen Antenne häufig ein Wandlernetzwerk erforderlich. Dieses Symmetrierglied-Netzwerk wandelt das Signal von symmetrisch zu unsymmetrisch um.

Eine Differenzsignalantenne sendet mit zwei komplementären Signalen, die jeweils in einem eigenen Leiter übertragen werden. Da die Antenne symmetrisch ist, ist kein Symmetrierglied erforderlich, wenn die Antenne mit HF-ICs mit HF-Differenzsignalports verwendet wird.

Schließlich gibt es Antennen in verschiedenen Formfaktoren, z. B. als Leiterplatten-, Chip- oder Patch-, externe Peitschen- oder Drahtantenne. Abbildung 4 zeigt einige Beispiele.

Abbildung 4: Für verschiedene IoT-Anwendungen stehen unterschiedliche Antennen zur Verfügung. (Bildquelle: Amphenol)

Anpassung der Antenne an die Anwendung

Die Anwendung und der Formfaktor des Produkts bestimmen die endgültige Wahl der Antenne. Wenn zum Beispiel ein IoT-Produkt nur wenig Platz hat, kann eine Leiterplattenantenne direkt in die Leiterplattenschaltung integriert werden. Diese Antennen sind eine ausgezeichnete Wahl für 2,4-GHz-Anwendungen wie Bluetooth LE oder Wi-Fi-Sensoren in Smart-Home-Geräten, einschließlich Beleuchtung, Thermostaten und Sicherheitssystemen. Sie bieten eine zuverlässige HF-Performance in einer flachen Architektur. Dennoch ist es schwierig, Leiterplattenantennen zu verwenden. Eine Alternative ist, die Leiterplattenantenne von einem kommerziellen Anbieter zu beziehen. Sie kann auf die Leiterplatte geklebt werden.

Ein Beispiel für eine Leiterplattenantenne ist die HF-Antenne ST0224-10-401-A von Amphenol, eine Wi-Fi-Leiterplattenantenne. Die Antenne bietet ein omnidirektionales Strahlungsdiagramm in den Bändern 2,4 bis 2,5 GHz und 5,15 bis 5,85 GHz. Die Antenne misst 30 x 10 x 0,2 Millimeter (mm) und hat eine Impedanz von 50 Ω. Ihre RL beträgt weniger als -10 Dezibel (dB) für beide Frequenzbereiche, und ihre Spitzenverstärkung beträgt 2,1 dB relativ zur Isotropie (dBi) im 2,4-GHz-Band und 3,1 dBi im 5-GHz-Band. Ihr Wirkungsgrad beträgt 77 bzw. 71 % (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Wi-Fi-Leiterplattenantenne ST0224-10-401-A ist sowohl im 2,4- als auch im 5-GHz-Band effizient. (Bildquelle: Amphenol)

Eine weitere Option für IoT-Produkte mit begrenztem Platzangebot ist eine Chip-Antenne. Automatisierte Bestückungsanlagen können dieses kompakte Bauteil direkt auf eine Leiterplatte montieren. Die Antenne eignet sich für drahtlose IoT-Anwendungen, die auf Bluetooth LE oder Wi-Fi basieren. Die wichtigsten Vorteile einer Chip-Antenne sind Platzersparnis, geringere Herstellungskosten und ein vereinfachter Designprozess.

Wie oben beschrieben, wird die Performance einer Chip-Antenne von Faktoren wie dem Leiterplattenlayout und den umgebenden Komponenten beeinflusst, aber die Fortschritte in der Antennentechnologie haben zu hocheffizienten Geräten geführt. Chip-Antennen eignen sich für verschiedene Anwendungen, von Smartphones und Tablets bis hin zu Smart-Home-Systemen und industriellen Sensoren.

Ein Beispiel ist die ST0147-00-011-A von Amphenol, eine 2,4-GHz-Chipantenne für die Oberflächenmontage auf Leiterplatten. Die Antenne bietet ein omnidirektionales Strahlungsdiagramm im Frequenzband von 2,4 bis 2,5 GHz (Abbildung 6). Die Antenne misst 3,05 x 1,6 x 0,55 mm und hat eine Impedanz von 50 Ω. Ihre RL liegt unter -7 dB, ihre Spitzenverstärkung bei 3,7 dBi und ihr durchschnittlicher Wirkungsgrad bei 80 %.

Abbildung 6: Die oberflächenmontierbare Chip-Antenne ST0147-00-011-A ist kompakt und weist ein omnidirektionales Strahlungsdiagramm in der XY-Ebene auf. (Bildquelle: Amphenol)

Wie Leiterplattenantennen sind auch Patch-Antennen kompakt und können direkt auf der Leiterplatte angebracht werden. Eine typische Anwendung ist eine Antenne für einen Asset-Tracker oder andere Geräte mit GNSS-Fähigkeit (Global Navigation Satellite System). GNSS-Patch-Antennen bestehen aus einem Patch-Element auf einem dielektrischen Substrat. Der hohe Wirkungsgrad stellt sicher, dass die Antenne auch schwache GNSS-Signale von mehreren Satelliten empfängt.

Ein Beispiel ist die passive GNSS-Patch-Antenne ST0543-00-N04-U von Amphenol für den Betrieb in den Frequenzbändern 1,575 und 1,602 GHz. Die Antenne misst 18 x 18 x 4 mm und hat eine Impedanz von 50 Ω. Ihre RL beträgt weniger als -10 dB für beide Frequenzbereiche, und ihre Spitzenverstärkung beträgt -0,5 dBi im 1,575-GHz-Band und 1,0 dBi im 1,602-GHz-Band. Ihr Wirkungsgrad beträgt 80 bzw. 82 %.

Externe Peitschenantennen, wie z. B. die Antenne eines Wi-Fi-Zugangspunkts, werden außerhalb von IoT-Geräten angebracht, um den Funkbetrieb zu optimieren. Eine externe Peitschenantenne vergrößert die Signalreichweite, verbessert die Signalqualität und überwindet Hindernisse oder Störungen. Sie sind nützlich in Umgebungen mit schwachen oder behinderten Signalen, die z. B. durch Wände, Decken und Möbel in der Wohnung abgeschwächt werden. Es sind gerade und schwenkbare Peitschenantennen erhältlich, jeweils mit Standard-HF-Schnittstellenanschlüssen wie SMA, RP-SMA und N-Typ.

Ein Beispiel ist die SMA-HF-Stabantenne ST0226-30-002-A von Amphenol für 2,4 und 5 GHz. Die Antenne ist eine gute Lösung für Wi-Fi-Zugangspunkte und Set-Top-Boxen (STBs). Sie bietet ein omnidirektionales Strahlungsmuster in den Frequenzbändern 2,4 bis 2,5 GHz und 5,15 bis 5,85 GHz. Die Antenne misst 88 x 7,9 mm im Durchmesser und hat eine Impedanz von 50 Ω. Ihre RL beträgt weniger als -10 dB für beide Frequenzbereiche, und ihre Spitzenverstärkung beträgt 3,0 dBi im 2,4-GHz-Band und 3,4 dBi im 5-GHz-Band. Ihr Wirkungsgrad beträgt 86 % bzw. 75 %. Die Antenne ist entweder mit einem SMA- oder RP-SMA-Steckverbinder erhältlich (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die externe Peitschenantenne ST0226-30-002-A für Wi-Fi-Zugangspunkte ist entweder mit einem SMA- oder RP-SMA-Steckverbinder erhältlich. (Bildquelle: Amphenol)

Wendeldrahtantennen sind eine kostengünstige und einfache Option für Sub-GHz-Anwendungen wie LoRa-IoT-Geräte, die im 868-MHz-Frequenzband arbeiten. Die Antennen werden in der Regel direkt auf die Leiterplatte gelötet und bieten eine gute Performance. Einige Nachteile sind ihre Größe, vor allem bei niedrigen Frequenzen, und der relativ geringe Wirkungsgrad im Vergleich zu einigen anderen Antennen.

Ein Beispiel ist die 862-MHz-HF-Antenne ST0686-10-N01-U von Amphenol (Abbildung 8). Diese Wendeldrahtantenne arbeitet im Frequenzband von 862 bis 874 MHz und hat eine Impedanz von 50 Ω. Die Antenne wird per Durchkontaktierung montiert und hat eine maximale Höhe von 38,8 mm. Sie hat einen RL von weniger als -9,5 dB, eine Spitzenverstärkung von 2,5 dBi und einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 58 %.

Abbildung 8: Die Wendeldrahtantenne ST0686-10-N01-U ist eine gute Option für LoRa-IoT-Anwendungen. (Bildquelle: Amphenol)

Fazit

Die Funkleistung von drahtlosen IoT-Geräten hängt von der Auswahl der Antenne ab. Daher muss sorgfältig aus einer breiten Palette von Antennendesigns von Anbietern wie Amphenol ausgewählt werden, um die beste Lösung für die Anwendung zu finden. Datenblätter sind bei der Auswahl von entscheidender Bedeutung, aber die Einhaltung etablierter Designrichtlinien gewährleistet die beste drahtlose Performance.