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Grundlagen des Antennendesigns und der Integration

29. Februar 2016 | Länge: 5:05

Dustin Morris, Antenneningenieur bei Digi WDS, behandelt sechs wichtige Aspekte der Antennenentwicklung und -integration.

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Abschrift

Hallo, ich bin Dustin Morris. Ich bin HF-Antenneningenieur bei DGI Wireless Design Services und werde heute mit Ihnen über einige Antennengrundlagen und einige wichtige Antennenparameter sprechen, um Ihnen den Einstieg in Ihre nächste Antennenintegration von der Stange oder in ein kundenspezifisches Antennendesign zu erleichtern.

Beginnen wir also mit der Wellenlänge, die als die Lichtgeschwindigkeit über der Frequenz definiert ist. Wir können sehen, dass die Wellenlänge mit zunehmender Frequenz abnimmt. Ich habe hier ein paar Beispiele: Bei 3 Gigahertz beträgt die Wellenlänge 10 Zentimeter, bei 900 Megahertz 33 Zentimeter. Während also die Frequenz abnimmt, wird die Wellenlänge größer. Warum ist das also wichtig? Nun, um eine gut funktionierende Antenne zu haben, müssen die physischen Abmessungen der Antenne einen beträchtlichen Faktor der Wellenlänge ausmachen, typischerweise eine Viertelwelle oder mehr. Es muss also genügend Platz um die Antenne herum vorhanden sein und die Länge der Grundplatte muss lang genug sein, um eine effiziente Antenne zu ermöglichen.

Die Frequenz hat einen direkten Einfluss auf die Größe Ihres Geräts und die Leistung Ihrer Antenne. Die Antennenimpedanz ist definiert als die Spannung über dem Strom an den Antenneneingangsanschlüssen. In den meisten Datenblättern wird behauptet, dass die Antenne 50 Ohm hat, was nicht der Fall ist. Aus diesem Grund gibt es Messgrößen, die definieren, wie gut die Antennen mit den 50 Ohm übereinstimmen. Es gibt das Spannungs-Stehwellen-Verhältnis, VSWR, und die Rückflussdämpfung. Das VSWR sollte weniger als zwei und die Rückflussdämpfung weniger als minus 10 dB betragen, was einer Übertragungseffizienz von 90 % entspricht.

Wir verlieren nur 10 % bei unseren Reflexionen. Eine wichtige Erkenntnis daraus ist, dass Sie ein Impedanzanpassungsnetzwerk zwischen Ihrer Antenne und Ihrem Funkgerät benötigen. Wenn Sie sich das Datenblatt der Antenne und die Richtlinien ansehen, erfahren Sie, welche Art von Komponenten, in der Regel Induktivitäten und Kondensatoren, Sie zwischen die Antenne und das Funkgerät schalten müssen. Diese sollten so nah wie möglich an der Antenne angebracht werden. Dadurch wird die Leistungsübertragung vom Funkgerät zur Antenne maximiert. Der Antennenwirkungsgrad ist bei weitem der wichtigste Antennenparameter für diese kleinen drahtlosen, eingebetteten Geräte, und er ist definiert als die abgestrahlte Leistung im Vergleich zur Eingangsleistung der Antenne. Grundsätzlich gilt: Je höher der Antennenwirkungsgrad, desto besser die Antenne.

Denken Sie an mehr Balken auf Ihrem Mobiltelefon. Dies ist ein wichtiger Parameter, auf den Sie in diesen Datenblättern achten sollten. Wenn das Datenblatt keine Angaben zum Wirkungsgrad der Antenne enthält, suchen Sie ein anderes Datenblatt. Ihr Ziel sollte bei etwa 50 % liegen, aber Sie sollten wissen, dass dies in hohem Maße von der HF-Umgebung und der Grundplatte Ihres Geräts abhängt. Wenn Ihre Massefläche viel kleiner ist als die der Antenne, wird dieser Wert erheblich sinken. Wenn sich in der Nähe der Antenne Absorber wie Batterien oder menschliches Gewebe befinden, wird dieser Wert bei Ihrer Implementierung erheblich sinken. Die Richtwirkung ist definiert als die Fähigkeit der Antenne, Energie in eine bestimmte Richtung zu bündeln oder zu konzentrieren.

Es gibt Antennen mit geringer Richtwirkung, wie z. B. Dipole, die ein omnidirektionales Strahlungsmuster aufweisen, bei dem der Großteil der Energie gleichmäßig über alle Entfernungen oder alle Winkel von der Antenne verteilt wird. Es gibt aber auch Antennen mit hoher Richtwirkung, die die Energie in einem einzigen Strahl bündeln, wie z. B. Satellitenantennen. Der Gewinn ist definiert als der Wirkungsgrad mal der Richtwirkung.

Der Gewinn wird immer geringer sein als die Richtwirkung. Wie wir hier bereits erwähnt haben, wird der Wirkungsgrad, den wir mit 50 % anpeilen, wahrscheinlich nicht annähernd 100 % erreichen, aber das hängt wirklich von der Antennenkonstruktion ab. Nehmen wir zum Beispiel an, Ihre Satellitenantenne hat eine Richtwirkung von 40 dbi und der Gewinn liegt wahrscheinlich irgendwo zwischen 38 und 39 dbi. Richtig? Es wird hier einige Verluste geben. Sie werden Leitungsverluste haben. Sie werden dielektrische Verluste haben und dann haben wir natürlich unsere Fehlanpassungsverluste, und vergessen Sie nicht, dass Sie Verluste im Impedanzanpassungsnetzwerk haben werden. Für Ihre Rundstrahlantenne gilt das Gleiche. Sie haben einen Dipol mit einer Richtwirkung von 2,2 dbi. Der Gewinn wird wahrscheinlich eher bei 0 dbi liegen. All dies entspricht einem Antennenwirkungsgrad von etwa 60 %, so dass es sich trotz eines Gewinns von 0 dbi immer noch um eine gut funktionierende Antenne handelt.

Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass eine Antenne mit geringem Gewinn immer noch eine sehr leistungsfähige Antenne sein kann. Alle diese Parameter sind nur über einen begrenzten Frequenzbereich nutzbar, und dieser Frequenzbereich ist die Bandbreite der Antenne. Es gibt also eine Impedanzbandbreite, eine Wirkungsgradbandbreite und eine Gewinnbandbreite. Im Grunde kann man also keine GPS-Antenne für Bluetooth oder eine WiFi-Antenne für Mobilfunk verwenden. Sie müssen die richtige Antenne für Ihre Anwendung auswählen, da sie alle einen begrenzten Frequenzbereich haben, in dem sie arbeiten können. Ich weiß, dass dies ein kurzer Crashkurs in Antennengrundlagen ist. Es gibt hier nur sechs Antennenparameter, und es gibt noch viel mehr, aber das sind die wichtigsten Antennenparameter für das Design kleiner drahtloser eingebetteter Antennen. Ich hoffe, dieser kurze Vortrag hilft Ihnen bei der Auswahl Ihrer nächsten Standardantenne oder bei der Entwicklung Ihrer nächsten eigenen Antenne.

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