Auswahl von Antennen für Funkmodule

Eine Antenne ist im Grunde ein Leiter, der dem freien Raum ausgesetzt ist. Die der Antenne zugeführte elektrische Energie wird als elektromagnetische Strahlung der jeweiligen Frequenzen in den freien Raum abgestrahlt und verbindet so das drahtlose Gerät mit seinen entfernten Gegenstellen. Die Antenne ist eine der wichtigsten Komponenten für HF-Sende- und -Empfangsmodule. Eine leistungsfähige Antenne kann die Reichweite und die Signalstärke des Funkmoduls erheblich verbessern. Daher ist es sehr wichtig, für Funkmodule eine geeignete Antenne zu wählen.

Bei der Auswahl der optimalen Antenne für die zu entwickelnde Funkanwendung sind einige Schlüsselfaktoren zu beachten:

Jedes Funkmodul hat seine eigenen Arbeitsfrequenzen, etwa 433MHz, 700MHz, 868MHz, 1900MHz, 2100MHz, 3500MHz, 5200MHz usw.; auch die Antenne besitzt Arbeitsbänder. Das Frequenzband der Antenne muss mit den Bändern des Funkmoduls kompatibel sein. Andernfalls ist der gesamte Sende- und/oder Empfangswirkungsgrad des Funkmoduls sehr schlecht. Abweichende Frequenzbänder verringern den Strahlungsbereich der Antenne und führen damit zu einer kurzen Übertragungsdistanz. Santa Fe bietet komplette Antennenserien passend zu den Modulen von Sierra Wireless, Mediatek, Telit, Huawei, Gemalto, uBlox und ZTE für 5G-, LTE-, ISM- und Wi-Fi-Bänder.

Der Strahlungswirkungsgrad ist ein wichtiger Parameter, der beschreibt, wie effizient eine Antenne HF-Signale sendet und empfängt. Er ist definiert als das Verhältnis der gesamten von einer Antenne abgestrahlten Leistung zur gesamten vom Generator aufgenommenen Eingangsleistung. Eine Antenne mit hohem Strahlungswirkungsgrad strahlt die Eingangsleistung effizient in den freien Raum ab. Bei niedrigem Strahlungswirkungsgrad wird die Eingangsleistung größtenteils durch interne Verluste wie Leitungsverluste im Metall sowie dielektrische und magnetische Verluste in der Antenne in Wärme umgesetzt. Ein Strahlungswirkungsgrad von 100 Prozent bedeutet, dass die gesamte nicht reflektierte Leistung in den freien Raum abgestrahlt wird.

Das Strahlungsdiagramm zeigt die Richtcharakteristik der Abstrahlung, also in welche Richtungen stärker und in welche schwächer abgestrahlt wird. Diese Information hilft, die Antenne im Feldeinsatz richtig auszurichten. Eine Drahtantenne bietet die beste HF-Leistung und weist im Vergleich zu anderen Antennen typischerweise einen guten Antennenwirkungsgrad und eine gute Richtwirkung auf. Richtantennen werden in den meisten Mobilfunk-Basisstationen der Telekommunikation oder in Signalverstärkern lokaler Netze eingesetzt.

Der Gewinnwert ist ein sehr wichtiger Parameter der Antenne. Die Einheit ist dBi, und der Gewinnwert ist positiv. Je höher der Gewinnwert, desto stärker die Gewinnwirkung.

Das VSWR ist das Verhältnis der Amplitude des Spannungsmaximums der stehenden Welle zur Spannung im Minimum; es wird auch Stehwellenkoeffizient oder Stehwellenverhältnis genannt. Es dient vor allem dazu, die Anpassung der Antenne zu beschreiben. Ein VSWR von 1 bedeutet, dass die Impedanzen von Speiseleitung und Antenne vollständig angepasst sind – der Idealfall. Liegt das VSWR über 1, wird ein Teil der Wellen reflektiert und in Wärme umgesetzt, wodurch sich die Speiseleitung erwärmt. Heute lässt sich der Wirkungsgrad einer Antenne in einer Absorberkammer bequemer und kostengünstiger messen. Der Antennenwirkungsgrad wird damit zu einem wichtigeren Indikator als der bloße VSWR-Vergleich.

Jede Anwendung hat ihre eigene Einsatzumgebung oder eigene Einbaubeschränkungen, sodass die verwendeten Antennen entsprechend variieren. In rauer Umgebung mit vielen Störquellen wird die Leistung des drahtlosen Geräts beeinträchtigt. Für solche Umgebungen werden externe Antennen mit hohem Gewinn empfohlen, etwa Stabantennen, Saugfußantennen und Yagi-Antennen. Eine Antenne mit hohem Gewinn kann die Störfestigkeit erhöhen. Sind externe Antennen nicht zulässig, kommen eingebettete Antennen auf PCB (FR4) oder flexibler PCB (FPC) in Betracht. Je „freier“ die Position der Antenne, desto besser ist die Signalübertragung und desto größer die zu erwartende Reichweite. Die Antenne sollte frei stehen und Abstand („Keep-out“) zu Metallen, Gebäuden und anderen Störquellen halten.