Virtuelle Antennen vereinfachen das Design eingebetteter IoT-Antennen

Antennen haben in der drahtlosen Welt schon immer einen widersprüchlichen und manchmal verwirrenden Platz eingenommen. Auf der einen Seite sind sie nur einfache passive Wandler zwischen der in Leitern eingeschlossenen Energie, die durch Spannung und Strom dargestellt wird, und der zerstreuten, strahlenden elektromagnetischen Energie, die im Vakuum oder in der Luft existiert. Auf der anderen Seite sind sie in einer verwirrenden Vielfalt von Bauformen, Konfigurationen, Stilen und Größen erhältlich. Seit den Anfängen der drahtlosen Kommunikation (man denke nur an Marconi und die Zeit vor über einem Jahrhundert) hat die Konzeption, Konstruktion und Herstellung von Antennen mehrere wichtige Phasen durchlaufen.

Die erste Phase

Die ersten Antennen basierten auf einer von zwei grundlegenden Strukturen: dem Monopol mit zugehöriger Grundplatte (manchmal als Peitschenantenne bezeichnet) (Abbildung 1) und dem symmetrischen, ungeerdeten Dipol in verschiedenen Konfigurationen wie dem gefalteten Dipol (Abbildung 2). Forscher und Ingenieure wussten zwar, dass die Leistung von Antennen letztlich von den vier Maxwellschen Gleichungen bestimmt wird, doch war es aufgrund der enormen Komplexität der Modellierung und Berechnung nicht möglich, diese Gleichungen für das Antennendesign zu nutzen.

Abbildung 1: Die Langdraht- oder Peitschenantenne ist ein Einzelelement-Design mit einer Grundplatte (hier das Autodach, links); das Diagramm der Antenne zeigt ihre Einfachheit (rechts). (Bildquellen: Lihong Electronic (links); Electronics Notes (rechts))

Abbildung 2: Der einfache Dipol ist eine symmetrische Antenne ohne Massebezug (oben), wie in der Illustration gezeigt (unten). (Bildquellen: TCARES.net (oben) und Tutorials Point (unten))

Infolgedessen beschränkte sich die Analyse von Antennen auf grundlegende Gleichungen, die zur Dimensionierung von Antennenelementen wie Monopolen, Dipolen, langen Drähten und einigen anderen Konfigurationen verwendet wurden. Diese Gleichungen wurden auch anhand von Faustregeln, Intuition und Feldversuchen modifiziert. So war zum Beispiel bekannt, dass die Verwendung von Rohren anstelle von dünnen Drähten für Dipole deren Bandbreite erhöht, was je nach Anwendung gut oder schlecht sein kann; der Betrag dieser Erhöhung in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser wurde anhand von Richtlinien auf der Grundlage von Erfahrungen und grundlegenden Messungen geschätzt. Sogar in akademischen Diskussionen über Antennendesigns und ihre Funktionsprinzipien gab es nur wenige Gleichungen, die über die grundsätzlichen Diskussionen über Anordnung und Wellenlänge hinausgingen, wie in der technischen Abhandlung von 1926 über die klassische Yagi-Uda-Antenne deutlich wird (Referenz 1) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die einfache Yagi-Antenne (oben) ist eine Drei-Element-Antenne, die in kommerziellen, privaten und militärischen Anwendungen weit verbreitet ist. Die drei Elemente (unten) sind ein treibendes (aktives) Dipolelement mit einem passiven Reflektor dahinter und einem passiven Richtelement (Direktor) davor, die alle auf einem einzigen Ausleger montiert sind. (Bildquellen: EuroCaster/Dänemark (oben); RFWireless-World (unten))

Die zweite Phase

Die zweite Welle der Innovation im Antennendesign begann mit der Verfügbarkeit von Modellen und Algorithmen zur Erfassung von Antenneneigenschaften, die auf Computern ausgeführt werden konnten, um die elektromagnetischen Feldmodelle und Gleichungen in angemessener Zeit zu lösen, solange die Modelle nicht zu kompliziert waren.

Diese „Feld-Kalkulatoren“ ermöglichten es den Entwicklern neuer Antennenkonfigurationen, durch die Kombination von Antennentheorie und Felderfahrung neue Anordnungen vorzuschlagen, sie zu modellieren und schließlich ihre Leistung „auf dem Papier“ zu quantifizieren, ohne dass ein physisches Modell und Feldtests in der ersten Entwurfsphase erforderlich waren. Dieser Ansatz funktionierte bis zu einem gewissen Grad, aber es war immer noch eine Art „Zufallstreffer“-Prozess. Es ermöglichte den Ingenieuren jedoch, sich auf ein Antennendesign zu konzentrieren und es iterativ anzupassen und zu optimieren, bis es den Projektzielen entsprach.

Ein außergewöhnliches Beispiel dafür ist die Entwicklung des ersten Tarnkappenflugzeugs, der F-117 Nighthawk, in den legendären Skunk Works von Lockheed (Referenzen 2 und 3). Ein Großteil der theoretischen Arbeiten zur Verringerung der Radarsignatur um mehrere Größenordnungen beruhte auf analytischen Lösungen und komplexen Gleichungen.

Diese Gleichungen analysierten die Reflexion elektromagnetischer Energiefelder auf dem Flugzeug, während es von Radarsignalen durchflutet wurde. Ziel des Projekts war es, durch eine einzigartige und unkonventionelle Wahl des Materials, der Form, der Größe, der Winkel, der Fugen und anderer Designelemente die Tendenz dieser Oberflächen zu minimieren, als Antenne zu wirken. Dies wiederum führte dazu, dass das Flugzeug Energie in einem antennenähnlichen Modus zurückstrahlte und reflektierte, so dass es für den Empfänger des Radarsystems unsichtbar war.

Die dritte Phase ist vollkommen anders

Es beginnt jetzt eine neue Welle des modellbasierten Antennendesigns, die die Herausforderung aus einem anderen Blickwinkel betrachtet. Anstatt sich auf eine spezielle Antenne zu verlassen, um ein HF-Signal abzustrahlen, strahlt das IoT-Gerät (IoT: Internet der Dinge) oder Smartphone das Signal direkt von der Grundplatte ab.

Dazu wird eine herkömmliche eingebettete Antenne durch einen DUO-mXTEND-Antennenbooster NN03-320 von Ignion (Abbildung 3) ersetzt, ein 7,0 Millimeter (mm) langes × 3,0 mm breites × 2,0 mm hohes passives Bauteil, das etwa ein Zehntel so groß ist wie eine herkömmliche Antenne (Anmerkung: Ignion war bis 2021 unter dem Namen Fractus Antennas bekannt).

Abbildung 4: Der DUO mXTEND NN03-320 von Ignion ist ein winziges passives Bauteil, das die Massefläche der Leiterplatte eines Produkts nutzt, um das HF-Signal abzustrahlen. (Bildquelle: Ignion)

Mit seiner einzigartigen und patentierten Virtual-Antenna-Technologie - der Handelsname für die „antennenlose“ Technologie, die auf einer neuen Generation von winzigen Komponenten basiert - ist dieser Booster immer die gleiche Komponente, unabhängig von der Größe oder dem Formfaktor der Leiterplatte. Der Entwickler stimmt es auf die gewünschten Frequenzbänder ab, indem er die Anordnung und die Werte der Komponenten des Anpassungsnetzwerks erstellt und anpasst.

Mit anderen Worten: Diese Anordnung schafft eine neue und vorteilhafte Synergie zwischen dem Antennenverstärker und der umgebenden Grundplatte. Eine grobe Analogie wäre der Effekt, den ein kleiner Audio-Piezo-Treiber hätte, der an einer starren Tischplatte befestigt wird: Die Tischplatte würde mitschwingen und den resultierenden Audio-Ausgangspegel deutlich erhöhen.

Bei den Ignion-Antennenverstärkern handelt es sich um handelsübliche, oberflächenmontierbare Komponenten, die herkömmliche kundenspezifische Planar-Inverted-F-Antennen (PIFAs) und Leiterplattenantennen ersetzen. Sie sind viel kleiner als die Betriebswellenlänge, typischerweise unter 1/30 oder sogar 1/50 der Wellenlänge und darüber hinaus. Sie bieten eine voll funktionsfähige drahtlose Multiband-Verbindung, so dass eine einzige Antennenverstärkerkomponente effektiv in mehreren mobilen und drahtlosen Designs eingesetzt werden kann, was die Zeit bis zur Markteinführung, die Investitionen in die Produktentwicklung und natürlich die Kosten reduziert. Da die Antennenverstärker physisch als Chip-Antennen aufgebaut sind, können sie außerdem mit herkömmlichen Bestückungssystemen installiert werden, was zu niedrigeren Produktionskosten und verbesserter Qualität und Zuverlässigkeit führt.

Die Anpassung

Das passende Netzwerk ist der Schlüssel zur Realisierung der einzigartigen Booster-Leistung. Während der Antennenverstärker standardisiert ist und für eine Vielzahl von Mobilfunkprodukten verwendet werden kann, muss das Anpassungsnetzwerk für jedes Produkt individuell angepasst werden, aber das ist ein einmaliger, im Voraus zu leistender Entwicklungsaufwand.

Durch Änderung des Anpassungsnetzwerks kann die HF-Antwort des Boosters so angepasst werden, dass sie die verschiedenen Frequenzbänder abdeckt, die in einem modernen IoT-Gerät oder Smartphone benötigt werden. Das einfachere Einband-IoT-Gerät benötigt ein Anpassungsnetzwerk mit typischerweise drei bis fünf Komponenten, während ein Multiband-Smartphone möglicherweise mehrere Booster und fünf bis acht High-Q-Komponenten für sein Anpassungsnetzwerk benötigt.

Ignion vereinfacht den Designaufwand mit einem kostenlosen Entwicklungswerkzeug, das es dem Designer ermöglicht, den Booster virtuell in der Nähe des Randes der Leiterplatte zu platzieren, eine „freie“ Zone um den Booster herum zu definieren, die frei von Komponenten ist, und dann die erforderlichen passiven Komponenten für das Anpassungsnetzwerk zu berechnen. Beim Multiport-Bauteil NN03-320 ermöglichen die berechneten Anpassungsnetzwerke dem Gerät die Abdeckung mehrerer Bänder und Anwendungen, einschließlich GNSS, Bluetooth, 5G und UWB, über Frequenzen von 1561 bis 1606 Megahertz (MHz), 2400 bis 2500 MHz, 3400 bis 3800 MHz, 3100 bis 4800 MHz und 6 bis 10,6 Gigahertz (GHz) (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der Antennenbooster NN03-320 kann für verschiedene und/oder mehrere Bänder verwendet werden, wenn er mit einer geeigneten passiven Anpassungsschaltung zwischen der HF-Quelle und dem Booster ausgestattet ist. (Bildquelle: Ignion)

Das Datenblatt des NN03-320 spezifiziert die Leistung dieser 50 Ohm (Ω) Virtual-Antenna-Booster-Komponente und des optimierten Anpassungsnetzwerks unter Verwendung von Standard-Antennenparametern für jedes Band, einschließlich Wirkungsgrad, Spitzenverstärkung, VSWR, Polarisation und Strahlungsdiagramm.

In den Anwendungshinweisen sind typische schematische Diagramme für Anpassungsnetzwerke wie in Abbildung 6 zu sehen, und sie enthalten eine Tabelle mit empfohlenen Werten für passive Komponenten für jeden gewünschten Frequenzbereich. Diese Werte dienen zwar als Ausgangspunkt, müssen aber angepasst werden, um unvorhergesehene Störeinflüsse sowie die Auswirkungen von benachbarten Komponenten wie Displays oder ICs zu berücksichtigen.

Abbildung 6: Dieses vorgeschlagene schematische Diagramm für ein Zweiband-Anpassungsnetzwerk enthält auch eine Tabelle mit vorgeschlagenen Werten für passive Komponenten, um einen Ausgangspunkt für Design, Analyse und Bewertung zu bieten. (Bildquelle: Ignion)

Fazit

Antennenverstärker wie diese von Ignion stellen eine andere Art der Abstrahlung von HF-Energie dar, indem sie die Grundplatte als Abstrahlfläche nutzen. Diese passiven, oberflächenmontierbaren Booster-Komponenten bieten eine Alternative zu herkömmlichen eingebetteten Antennenanordnungen für IoT-Geräte und Smartphones. Eine einzige Virtual-Antenna-Komponente kann verschiedene Teile des HF-Spektrums bedienen, indem es einfach durch geeignete Konfiguration seines passiven Anpassungsnetzwerks angepasst wird.

Referenzen

1: Yagi, Hidetsu; Uda, Shintaro, Proceedings of the Imperial Academy (Februar 1926). „Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves“ (PDF).

2: Air Force Magazine, „How the Skunk Works Fielded Stealth“

3: Ben Rich, „Skunk Works: A Personal Memoir of My Years of Lockheed“