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 Sie bei Ihrer nächsten Antennenintegration von der Stange oder einem kundenspezifischen Antennendesign zu unterstützen.
Beginnen wir also mit der Wellenlänge, die als die Lichtgeschwindigkeit über der Frequenz definiert ist. Wir können sehen, dass mit zunehmender Frequenz die Wellenlänge abnimmt. Ich habe hier ein paar Beispiele: Bei 3 Gigahertz beträgt die Wellenlänge 10 Zentimeter und bei 900 Megahertz beträgt die Wellenlänge 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 physikalischen Abmessungen der Antenne einen beträchtlichen Faktor einer Wellenlänge betragen, typischerweise eine Viertelwelle oder größer. Man braucht also genügend Platz um die Antenne herum und eine Grundfläche, die lang genug ist, um eine effiziente Antenne zu ermöglichen.
Die Frequenz hat einen direkten Einfluss auf Ihre Gerätegröße und Ihre Antennenleistung. Die Antennenimpedanz ist definiert als die Spannung über dem Strom an den Antenneneingangsanschlüssen. In den meisten Datenblättern steht, dass die Antenne 50 Ohm hat, was in Wirklichkeit nicht der Fall ist. Und deshalb gibt es Messgrößen, die definieren, wie gut die Antennen mit den 50 Ohm übereinstimmen. Es gibt das Spannungs-Stehwellen-Verhältnis, VSWR, und die Rückflussdämpfung. Nun, VSWR sollte weniger als zwei sein, und die Rückflussdämpfung sollte weniger als minus 10 dB betragen, und das entspricht einer Übertragungseffizienz von 90 %.
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, werden sie Ihnen sagen, welche Art von Komponenten, typischerweise Induktivitäten und Kondensatoren, Sie zwischen die Antenne und das Funkgerät schalten müssen. Sie sollten diese so nah wie möglich an der Antenne platzieren. Dadurch wird die Leistungsübertragung von Ihrem 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. Ich meine, das ist ein wirklich wichtiger Parameter, nach dem Sie in diesen Datenblättern suchen wollen. Wenn das Datenblatt keine Angaben zum Wirkungsgrad der Antenne enthält, suchen Sie ein anderes Datenblatt. Ihr Ziel sollte irgendwo bei 50% liegen, aber Sie sollten wissen, dass dies stark von der HF-Umgebung und der Massefläche Ihres Geräts abhängt. Wenn Ihre Massefläche viel kleiner ist als das Evaluation Board der Antenne, wird dieser Wert erheblich sinken. Wenn Sie Absorber wie Batterien oder menschliches Gewebe neben Ihrer Antenne haben, wird diese Zahl bei Ihrer Implementierung erheblich sinken. Die Richtwirkung ist definiert als die Fähigkeit der Antenne, Energie in eine bestimmte Richtung zu fokussieren oder zu konzentrieren.
Es gibt Antennen mit geringer Richtwirkung, wie z. B. Dipole, die ein omnidirektionales Strahlungsdiagramm haben, bei dem der Großteil der Energie gleichmäßig über alle Entfernungen oder alle Winkel von der Antenne verteilt wird. Und es gibt Antennen mit hoher Richtwirkung, die die Energie in einem einzigen Strahl bündeln, wie z. B. eine Satellitenantenne. 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. Sagen wir zum Beispiel, Ihre Satellitenantenne hat eine 40 dbi Richtwirkung und der Gewinn wird wahrscheinlich irgendwo zwischen 38 und 39 dbi liegen. Richtig? Es wird hier einige Verluste geben. Sie werden Leitungsverluste haben. Sie werden dielektrische Verluste haben und dann haben wir natürlich unsere Anpassungsverluste und vergessen Sie nicht, dass Sie Verluste im Impedanzanpassungsnetzwerk haben. 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 das entspricht einem Antennenwirkungsgrad von etwa 60 %, so dass dies immer noch eine gut funktionierende Antenne ist, obwohl der Gewinn 0 dbi beträgt.
Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass eine Antenne mit geringem Gewinn trotzdem eine sehr gute 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 Impedanz-Bandbreite, eine Wirkungsgrad-Bandbreite und eine Gewinn-Bandbreite. Grundsätzlich können Sie 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, das ist ein kurzer Crashkurs in Antennengrundlagen. Es gibt hier nur sechs Antennenparameter, und es gibt noch viel mehr, aber das sind die wichtigsten Antennenparameter für das Design von kleinen drahtlosen Embedded-Antennen. Und ich hoffe, dass dieser kurze Vortrag Ihnen bei der nächsten Auswahl einer Antenne von der Stange helfen wird oder Sie mit Ihrem nächsten kundenspezifischen Antennendesign beginnen können.