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Wie Sie die richtige Antenne für Ihre IoT-Anwendung auswählen

Digi International
06. Februar 2018
Antennen gibt es in vielen Formen und Größen, für viele verschiedene Anwendungen. Einige werden extern am Produkt angebracht, um die richtige Funktionalität zu gewährleisten, während andere in das Endgerät integriert werden müssen, damit sie sowohl unsichtbar als auch funktional sind. Wenn Sie zum Beispiel ein Gerät haben, das in einem Metallgehäuse eingeschlossen ist, wie ein Router, wird die Antenne extern angeschlossen. Für ein mobiles Gerät oder ein Wearable möchten Sie jedoch wahrscheinlich eine kleinere Antenne, die in das interne Design eingebaut ist. Die Antennentypen für diese verschiedenen Anwendungen unterscheiden sich nicht nur durch Größe und Platzierung, sondern auch durch Eigenschaften und Funktionalität.

In diesem Beitrag haben wir einen Überblick über die gängigsten Antennentypen und ihre üblichen IoT-Anwendungen gegeben. Beachten Sie, dass die meisten Kategorien von Antennen mehrere Untertypen haben. Außerdem kann das Thema Antennen schnell in tiefe technische Details und mathematische Formeln ausarten, was den Rahmen dieses Beitrags sprengen würde. Wenn Sie weitere Unterstützung bei der Auswahl Ihrer Antenne benötigen, steht Ihnen unser Kundenspezifische Entwicklung Team kann helfen.
 

Themen in diesem Blog

  1. Dipol-Antennen
  2. Monopol-Antennen
  3. Schleifenantennen
  4. Wendel-Antennen
  5. Patch-Antennen
  6. Schlitz-Antennen
Dipol-Antenne

1) Dipol-Antennen

Dipolantennen sind omnidirektional, d. h. sie strahlen Signale in alle Richtungen in mindestens einer Ebene ab. Sie sind typischerweise groß, da es sich um Strukturen mit halber Wellenlänge handelt. Dies beträgt bei Mobilfunk Antennen etwa 6 Zoll in der Länge. Diese Antennen werden fast immer extern verwendet, z. B. für Metallbox-Geräte wie Router und Gateways. Sie können mit dem Gerät geliefert werden oder müssen separat bestellt werden.
 

Eigenschaften von Dipolantennen

Dipolantennen sind sehr effiziente Antennen mit gleichbleibender Leistung, omnidirektionalem Strahlungsdiagramm und zuverlässiger Polarisation. Eine Dipolantenne hat ein Strahlungsdiagramm, das nicht von der Größe des Gehäuses oder der Grundplatte abhängig ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Dipol ausgeglichene Ströme auf beiden Antennenarmen hat, was zu einem geringen Stromfluss auf der Grundplatte oder dem Gehäuse führt. Das Strahlungsdiagramm sieht aus wie ein Donut, wobei die meiste Energie von der Breitseite der Antenne abgestrahlt wird. Die Antenne isoliert sich von der Metallbox (Chassis), die als Massefläche dient.
 

Allgemeine Anwendungen für Dipolantennen

Verwenden Sie eine Dipolantenne, wenn Sie in alle Richtungen sprechen müssen (omnidirektional) und den Standort der Empfangsverbindung nicht kennen. Häufige Anwendungen für Dipolantennen sind Mobilfunk und Wi-Fi-Anwendungen; es gibt verschiedene Dipolmodelle für jede dieser Kommunikationsarten. (Dipole haben eine begrenzte Bandbreite, so dass für unterschiedliche Frequenzbänder unterschiedliche Längen erforderlich sind).

Die Dipolantenne eignet sich gut für eine externe Antenne, die auf einem Metallgehäuse montiert ist, unabhängig von der Größe des Gehäuses. Metallgehäuse sind bei industriellen Anwendungen in rauen Umgebungen sehr verbreitet, und externe Antennen sind unter diesen Bedingungen fast eine Selbstverständlichkeit. Außerdem werden Dipole aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und ihres gleichmäßigen Strahlungsdiagramms in Labors häufig als Referenzantennen zur Kalibrierung von Antennenmesssystemen verwendet.

(2) Monopol-Antennen

Monopolantennen sind kleine, omnidirektionale Antennen mit einer Viertelwellenlänge. Sie werden typischerweise intern in einem Gerät installiert, können aber auch extern sein.
 

Eigenschaften von Monopolantennen

Monopolantennen sind wie Dipolantennen, aber mit einem einzigen Antennenarm, der eine Viertelwellenlänge hat. Die Monopolantenne verwendet eine Grundplatte als die andere Hälfte des Dipols und kann daher kleiner als der Dipol gebaut werden und ist einfacher zu implementieren. Es ist wichtig zu beachten, dass bei einem Monopol das Strahlungsdiagramm von der Kabellänge und der Größe des Metallgehäuses (externe Antenne) oder der Massefläche abhängt.

Es gibt Abweichungen vom Monopol; vor allem die Inverted F Antenna (IFA), die typischerweise eine Leiterbahn ist, die auf eine Leiterplatte geätzt wird. Die IFA wurde entwickelt, um die Größe der Antenne zu reduzieren und trotzdem eine 50-O-Impedanz über eine kleine Bandbreite zu erhalten. Eine Variante der IFA (auch abgeleitet von der Patch-Antenne) ist eine PIFA, die eine planare IFA ist. Die PIFA ist typischerweise eine 3D-Struktur (nicht auf eine Leiterplatte geätzt) und hat breitere leitende Abschnitte als die IFA. Da die PIFA breitere Leiterbahnen verwendet und mehr Volumen einnimmt als die IFA, hat sie typischerweise einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Bandbreite.
 

Allgemeine Anwendungen für Monopolantennen

Verwenden Sie Monopol-Peitschenantennen, wenn Sie eine preiswerte, schmalbandige, externe Antenne benötigen und eine Dipolantenne aufgrund der Antennengröße nicht verwenden können. Eine elegantere Lösung ist die PIFA, die viel kürzer als der Monopol und mechanisch robuster gebaut werden kann, allerdings auf Kosten eines verzerrten Rundstrahldiagramms. Mobilfunk Telefone sind heute die häufigste Anwendung für PIFAs. Der PIFA ist einfach herzustellen und zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad und eine große Bandbreite in einem kleinen Formfaktor aus. Auch Wearables verwenden oft einen IFA oder PIFA. Eingebettete drahtlose Geräte verwenden oft IFAs, die auf die Leiterplatte geätzt werden, da sie sehr kostengünstig sind.

3) Schleifenantennen

Kleine Schleifenantennen sind omnidirektional, aber wenn die Schleife größer wird (Durchmesser nähert sich einer Wellenlänge), wird sie bidirektional. Schleifenantennen werden immer größer sein als Monopol- oder Dipolantennen, um die gleiche Strahlungseffizienz zu erreichen, daher sind sie für drahtlose eingebettete Geräte nicht so häufig.
 

Eigenschaften von Loop-Antennen

Schleifenantennen haben dominante magnetische Nahfelder, was bedeutet, dass sie weniger von elektrischen Leitern beeinflusst werden, wie z. B. einer Metallplatte oder sogar Salzwasser, die mehr Einfluss auf elektrische Felder als auf magnetische haben. Dies macht sie besonders nützlich für Wearables, da der Mensch nur sehr begrenzte magnetische Eigenschaften hat. Beachten Sie, dass sich diese Eigenschaften auf die Leistung im Nahfeld beziehen; im Fernfeld tun alle Antennen das Gleiche, aber im Nahfeld ist das Gerät stärker von der Art der Antenne abhängig.
 

Allgemeine Anwendungen für Schleifenantennen

Wearables wie Bewegungstracker und implantierbare Geräte sind häufige Anwendungen für Schleifenantennen. Zum Beispiel würde eine Antenne, die in der Nähe des Herzens implantiert wird, mit einer elektrischen Nahfeldantenne, wie z. B. einer Monopol- oder Dipolantenne, viel mehr Leistungseinbußen haben als mit einer magnetischen Nahfeld-Rahmenantenne.

4) Wendelantennen

Wendelantennen sind im Wesentlichen sehr kleine Monopolantennen, die in Form einer Wendel gewickelt sind. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen ein Stück Leitungsdraht, das gerade nach oben geht, und wickeln es um eine Spule, um die Gesamthöhe zu verringern. Die Gesamtlänge ist einer Standard-Monopolantenne sehr ähnlich.
 

Eigenschaften von Wendelantennen

Wendelantennen haben eine Rundstrahlcharakteristik wie eine Monopolantenne. Die spiralförmige Wicklung ermöglicht es, diese langen Antennen in kleinen Räumen zu platzieren. Da sie viel kleiner als ein Monopol sind, geben Sie ein wenig Effizienz und Bandbreite auf, um die Antenne deutlich zu verkleinern.
 

Allgemeine Anwendungen für Spiralantennen

Spiralantennen sind sehr kompakt, was sie für tragbare Kommunikationsgeräte nützlich macht. Sie werden üblicherweise für Geräte verwendet, die auf niedrigeren Frequenzbändern arbeiten, einschließlich HF-, VHF- und UHF-Bändern. Eine 433-MHz-Monopolantenne wäre z. B. etwa 7 lang; da viele Geräte viel kleiner sind als diese, wird eine Wendelantenne verwendet, um einen guten Antennenwirkungsgrad und eine Impedanz nahe 50 O in einem kleinen Formfaktor zu erreichen.

5) Patch-Antennen

Patch-Antennen sind gerichtet, was bedeutet, dass Ihre Anwendung für eine optimale Leistung eine Sichtlinienkommunikation zwischen den Geräten haben muss: Gerät A wird nur mit Gerät B sprechen und sie sind immer so ausgerichtet, dass die Patch-Antenne auf den Geräten einander zugewandt ist. Da wir wissen, wo sich die Geräte immer befinden werden, besteht keine Notwendigkeit für omnidirektionale Abstrahlung.
 

Eigenschaften von Patch-Antennen

Patch-Antennen sind sehr flache, leichte Antennen, die einfach herzustellen sind. Die Eigenresonanz eines Patches liegt bei einer halben Wellenlänge (wie bei einem Dipol), jedoch wird die Größe des Patches durch die Verwendung von Dielektrika oft erheblich verkleinert. Durch die dielektrisch belastete kleine Patchgröße und das damit verbundene begrenzte Volumen ist der Patch sehr schmalbandig. Patch-Antennen werden manchmal auch als "Microstrip-Antennen" bezeichnet und können direkt auf eine Leiterplatte geätzt werden.

Allgemeine Anwendungen für Patch-Antennen

Patch-Antennen sind sehr nützlich, wenn Sie einen direkten Sichtlinienpfad (los) zwischen Sender und Empfänger haben und die erforderliche Bandbreite minimal ist (niedrige Datenraten). Die GPS-Kommunikation ist ein Beispiel dafür, da sie Satelliten nutzt, und man weiß, dass diese sich immer am Himmel befinden und eine sehr niedrige Datenrate verwenden. Das Pflaster ist ideal für die Fahrzeugverfolgung, da es unauffällig und kostengünstig ist, und wenn Sie es auf der Motorhaube oder dem Dach eines Fahrzeugs positionieren, wird die gesamte Energie dorthin gelenkt, wo Sie sie tatsächlich benötigen.

6) Schlitz-Antennen

Slot-Antennen bestehen typischerweise aus einer Metallplatte oder Leiterplatte mit ausgeschnittenen Schlitzen. Die Schlitze strahlen ähnlich wie Dipolantennen ab und haben eine halbe Wellenlänge, jedoch die entgegengesetzte Polarisation des Dipols. Sie sind sehr effiziente Antennen und haben ein bi-direktionales Strahlungsdiagramm. Es ist einfach, ein unidirektionales Strahlungsdiagramm zu erreichen, indem ein Ende des Schlitzes mit einem Metallgehäuse umschlossen wird.
 

Eigenschaften von Slot-Antennen

Der Schlitz hat ein einfaches Design und ein extrem niedriges Profil, das ihn sehr vielseitig macht. Slot-Antennen wurden ursprünglich für Fernsehübertragungszwecke entwickelt. Das Strahlungsdiagramm der Antenne wird durch die Größe der Schlitze, deren Form und die Antriebsfrequenz bestimmt.
 

Allgemeine Anwendungen für Schlitzantennen

Slot-Antennen sind sehr nützlich für Metallgehäuse, in denen Sie keine externe Antenne verwenden können. Häufige Anwendungen sind Navigationssysteme auf Marineschiffen und Flugzeugen, bei denen externe Antennen umweltgefährdend sind.
 

Fazit

Die Antenne ist sehr abhängig von der Gerätegröße und der zulässigen Antennengröße; und dies hängt mit physikalischen und praktischen Einschränkungen zusammen. Um eine gute Funkleistung zu gewährleisten, wählen Sie Ihren Antennentyp und die Gesamtgröße des Geräts entsprechend der jeweiligen Anwendung.
 
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