Ultrabreitband-Chipantennen revolutionieren traditionelle Methoden und erfüllen vielfältige Anwendungen

Die Funktion einer Antenne besteht einfach darin, als bidirektionaler Transducer zwischen der durch die Maxwellschen Gleichungen geregelten HF-Welt und der Welt der elektrischen Schaltkreise mit Volt und Ampere zu fungieren. Dennoch ist es erstaunlich, wie viele verschiedene Antennentypen und -größen es gibt: Yagi, Dipol, Schleife, Schüssel, Patch, Monopol, Horn, Wendel und Stab, um nur einige zu nennen.

Der Grund dafür ist, dass Antennen und ihre Konfigurationen schon immer mit der komplexen Herausforderung konfrontiert waren, viele, oft widersprüchliche Ziele zu erfüllen. Zu den wichtigsten Parametern gehören Mittenfrequenz, 3-Dezibel-Bandbreite (dB), Abstrahlcharakteristik, Richtcharakteristik, Verhältnis zwischen Vorder- und Rückseite, Nebenkeulen, Baugröße, Impedanz und Belastbarkeit sowie typische Größen-, Effizienz- und Kostenprobleme.

Im Idealfall wäre eine Antenne für alle geeignet, vor allem, wenn Kosten und Platz eine Rolle spielen. Wir sind zwar noch nicht so weit, aber Ultrabreitband-Antennen (UWB) sind eine gute Option für viele verschiedene Anwendungen, die schnelle, zuverlässige und stromsparende Verbindungen benötigen.

Bewertung von Antennen

Traditionell war es bei vielen Systemen ein Hauptziel, die Bandbreite der Antenne (gemessen zwischen ihren -3-dB-Punkten) so gering wie möglich zu halten, um die Aufnahme von Fremdsignalen oder unerwünschte Störungen zu vermeiden. Warum sollte man also bandexterne Performance und zusätzliches Empfangsrauschen unterstützen, vor allem, wenn man dafür Kompromisse bei anderen Faktoren eingehen muss?

Eine gängige Messgröße für den Bandbreitenparameter ist die normierte Bandbreite (Fractional BandWidth, FBW). Die FBW ist das Verhältnis des Frequenzbereichs (höchste Frequenz minus niedrigste Frequenz) geteilt durch die Mittenfrequenz. Die normierte Bandbreite kann von null bis zwei reichen und wird oft als Prozentsatz zwischen 0 % und 200 % angegeben. Je höher der Prozentsatz, desto größer ist die Bandbreite.

Es wäre schön, wenn es einen einfachen Leitfaden gäbe, der die ungefähre FBW verschiedener Antennentypen angibt, aber das ist nicht möglich. Der Grund dafür ist, dass Antennen, vielleicht mehr als die meisten anderen Komponenten, viele Kompromisse bei ihrer Konstruktion und ihren Abmessungen eingehen müssen. Sie verfügen über eine außerordentlich hohe Anzahl von Freiheitsgraden, so dass ihre Parameter, einschließlich der FBW, gegeneinander abgewogen werden können, um ein „optimales“ Design für eine bestimmte Anwendung zu finden.

Die FBW fast aller Antennen kann durch Abwägen mit anderen Parametern wie Richtwirkung (Gewinn), Nebenkeulen, Strahlungsdiagramm, Größe und Anzahl der Elemente bei Mehrelement-Anlagen vergrößert oder verkleinert werden. So kann beispielsweise die FBW klassischer Yagi-Uda-Antennen durch Änderung der Anzahl und des Abstands der Elemente, ihrer Dicke und anderer physikalischer Eigenschaften von einigen Prozent auf mehrere zehn Prozent eingestellt werden.

Einige Spezialisten betrachten eine Antenne mit einer FBW von 20 % oder mehr als UWB-Antenne, während andere sagen, dass nur Antennen mit einer FBW von über 50 % UWB-Antennen sind. Die Federal Communications Commission (FCC) und die International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) definieren UWB derzeit als eine Antennenübertragung, bei der die Bandbreite des ausgestrahlten Signals 500 Megahertz (MHz) oder 20 % der arithmetischen Mittenfrequenz überschreitet, je nachdem, welcher Wert niedriger ist. Da die Gefahr von Missverständnissen besteht, ist es oft eine gute Idee, bei der Erörterung des Themas um Klarstellung zu bitten.

UWB: Das war damals, aber die Bedürfnisse haben sich geändert

Dank des Aufkommens von Breitband- und Multibandanwendungen hat sich die Richtlinie, die FBW so schmal wie möglich zu halten, dahingehend geändert, dass eine UWB-Antenne mit einer großen FBW wünschenswert oder sogar vorgeschrieben ist. In der Tat gibt es viele aktuelle akademische Arbeiten, die neue oder innovative Antennenkonfigurationen mit UWB-Eigenschaften beschreiben.

Bevor wir fortfahren, sollten wir die UWB-Terminologie besprechen. Der Begriff „Ultrabreitband“ hat zwei etwas unterschiedliche Bedeutungen. Im Zusammenhang mit Antennen bezieht er sich auf die FBW, wie bereits erwähnt. Im Bereich des elektromagnetischen Spektrums wird der Begriff „Ultrabreitband“ jedoch auch für höhere Frequenzen verwendet, bei denen eine größere Bandbreite verfügbar ist.

So werden beispielsweise Anwendungen, die einen Teil des EHF-Bandes (Extrem Hohe Frequenzen) von 30 bis 300 Gigahertz (GHz) nutzen, oft als UWB-Anwendungen bezeichnet, da sie eine extrem breite „Scheibe“ von mehreren hundert Megahertz nutzen können, um extrem hohe Datenraten zu unterstützen. Eine solche UWB-Anwendung, die 1 GHz bei 60 GHz nutzt, benötigt jedoch keine UWB-Antenne, sondern eine auf 60 GHz zentrierte Antenne mit einer FBW von nur etwa 1,7 %.

UWB-Antennen wie die ACG0806U, ACG0301U und ACG0502U von Abracon arbeiten in diesem breiten Frequenzbereich. Sie können als Ersatz für mehrere Schmalbandantennen verwendet werden und bieten gleichzeitig ein hohes Maß an Designflexibilität und zuverlässiger Vernetzung (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die UWB-Antennen ACG0806U, ACG0301U und ACG0502U bieten verschiedene Kombinationen von Frequenzbereich und normierter Bandbreite. (Bildquelle: Bill Schweber, aus Abracon-Daten)

Aufgrund der potenziellen Reichweite von UWB-Signalen und ihren Antennen eignen sie sich für Anwendungen wie Gateways und Router, Highspeed-Streaming, drahtlose Zugangspunkte, Handgeräte, Ortung und Positionierung, intelligente Hausgeräte und Unterhaltungssysteme. Sie eignen sich auch für Anwendungen im Internet der Dinge (IoT), für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M), den sicheren Zugang zu Fahrzeugen, die Verfolgung von Gegenständen, die Navigation in Innenräumen, das freihändige Bezahlen, den intelligenten Zugang und die Objekterkennung.

Die UWB-Antennen von Abracon sind zudem für die nächste Generation der Vernetzungstechnologien ausgelegt. Sie decken das gesamte Spektrum von 698 MHz bis 7 GHz ab und bieten zahlreiche Vorteile:

• Hohe Performance
• Hoher Strahlungswirkungsgrad
• Geringer Stromverbrauch (aufgrund des geringen Strombedarfs von UWB-Systemen)
• Erfüllt die Anforderungen der Industrie an eine schnelle/stabile Datenübertragung
• Vollständige, diskrete Chip-Bausteine zur Vereinfachung des Antennendesigns und des Leiterplatten-/Systemlayouts

Hervorhebung der Besonderheiten

Ein genauerer Blick auf eine Abracon-UWB-Antenne zeigt sowohl ihre Eigenschaften als auch wie sie den Entwicklungsaufwand erleichtert. Die ACG0806U ist eine oberflächenmontierbare (SMD) UWB-Antenne für den Betrieb bei Frequenzen von 3,3 GHz bis 7,2 GHz (4000 MHz Bandbreite) in einem winzigen 8,0 × 6,0 × 1,2 Millimeter (mm) großen Keramikchipgehäuse (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die ACG0806U von Abracon ist eine UWB-Antenne für den Betrieb bei Frequenzen von 3,3 GHz bis 7,2 GHz in einem winzigen SMD-Keramikchipgehäuse der Größe 8,0 mm × 6,0 mm × 1,2 mm. (Bildquelle: Abracon)

Elektrisch bietet die ACG0806U eine lineare Polarisation und eine omnidirektionale Azimut-Abstrahlbreite mit einer Nennimpedanz von 50 Ohm (Ω) und einem Stehwellenverhältnis (VSWR) von unter 3,5. Weitere Einzelheiten zu ihrer Performance sind in Diagrammen dargestellt, die die Impedanzcharakteristik der Rückflussdämpfung und die Strahlungscharakteristik der Gesamteffizienz zeigen (Abbildung 2 und Abbildung 3).

Abbildung 2: Das Diagramm der Rückflussdämpfung (in dB) für die ACG0806U zeigt einen Aspekt ihrer Performance in ihrem spezifizierten Betriebsbereich. (Bildquelle: Abracon)

Abbildung 3: Dargestellt ist der Wirkungsgrad der ACG0806U über ihre Betriebsfrequenz. (Bildquelle: Abracon)

Ebenso wichtig für Entwickler ist die Frage, wie und wo die Chipantenne platziert und verbunden werden soll. Für die ACG0806U gibt es eine Evaluierungsplatine, die die kritischen Abmessungen und die zugehörige Anpassungsschaltung zeigt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dargestellt sind die relevanten Abmessungen für die Platzierung der Antenne ACG0806U. (Bildquelle: Abracon)

Fazit

UWB-Antennen werden benötigt, um die vielfältigen Multiband- und Breitbandanwendungen zu unterstützen, die jetzt immer mehr an Bedeutung gewinnen. Abracon bietet eine Auswahl an oberflächenmontierbaren UWB-Chipantennen mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen und Bandbreiten. Mit diesen können Entwickler schnell eine UWB-Antenne auswählen und auf ihrer Leiterplatte platzieren, um dann mit den nächsten Schritten ihres Projekts fortzufahren.

Empfohlene Lektüre

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

https://www.digikey.de/de/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

2: Wie man mit Breitbandantennen sowohl ältere als auch 5G-Wireless-IoT-Netzwerke bedienen kann

https://www.digikey.de/de/articles/how-to-cater-to-both-legacy-and-5g-wireless-iot-networks-using-wideband-antennas

Referenzen

1: International Journal of Antennas and Propagation, „Wideband and UWB Antennas for Wireless Applications: A Comprehensive Review“

https://www.hindawi.com/journals/ijap/2017/2390808/

2: IntechOpen, „Ultra-Wideband Antenna and Design“

https://www.intechopen.com/chapters/39710

3: National Institute of Health, National Library of Medicine, „Ultrawideband Antennas: Growth and Evolution“

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8781011/