Die Auswahl der idealen Antenne in 3 Schritten

1.Ermitteln Sie Ihre Anforderungen

Welche Montageart eignet sich, um den Anforderungen Ihrer Anwendung gerecht zu werden?
Beginnen Sie die Auswahl der optimalen Antenne, indem Sie prüfen, wie die Antenne integriert wird:

• Intern, bspw. in ein Mobilgerät
• Extern, hierbei ist oftmals ein Gehäuse zum Schutz bei der Anwendung im Freien und eine Installation beinhaltet

Unser Hersteller 2J Antennas bietet eine große Auswahl interner und externer Antennen an, die einzeln und in Kombination montiert werden.

Montagearten für interne Einzel- und Kombinationsantennen

• FLEXIBLE KLEBEMONTAGE
  Antennen mit kleinem Formfaktor und Flexibilität für die gekrümmte Installation in Geräten.

• STARRE KLEBEMONTAGE
  Diese Montageart ist ideal für die flache Oberflächeninstallation unter Verwendung einer industriellen Klebeschicht geeignet.

• KERAMIKOBERFLÄCHENMONTAGE
  Aufgrund der hohen Qualität von Keramik eignet sich diese Oberflächenmontagemethode für eine Vielzahl von Umgebungen. Sie ist mit der „Surface Mount Technique“ (SMT, Oberflächenmontagetechnik) kompatibel und ermöglicht die einfach PCB-Integration in kleine Geräte.
  
  
• GLASFASEROBERFLÄCHENMONTAGE
  Glasfasermaterial ermöglicht kleine Antennengrößen und bietet gleichzeitig eine kosteneffektive Lösung für Gerätebauer, die mit einer SMT-Installation („Surface Mount Technique“) kompatibel ist.
  
  
• KERAMIKDURCHSTECKMONTAGE (THT)
  Die Durchsteckmontage (Thru-Hole Mount, THT) ist typischerweise der Mittelpunkt des Antennenangebots und offeriert zusätzliche Sicherheit für die Installation bei der Integration in Geräte.

• EINRASTMONTAGEMODUL
  Die Antenne rastet fest ein, ungewünschte Drehungen werden vermieden und die Installation und das Ersetzen der Antenne geht schneller vonstatten

• SCHRAUBMONTAGEMODUL
  Modulare Antennen können an PCB-Abstandhaltern installiert werden
  
  

Montagearten für externe Einzel- und Kombinationsantennen

• STECKVERBINDERMONTAGE
  Typisch für Antennen, die eine PCB-Montagelösung für Geräte erforderlich machen.
  
  
• KLEBEMONTAGE
  Die Verwendung einer hochwertigen Klebeoption ist ideal für die schnelle Montage geeignet
  
  
• SCHRAUBMONTAGE
  Der Vorteil ist eine sichere und dauerhafte Installation, auch in Außenbereichen mit extremen Bedingungen.
  
  
• MAGNETMONTAGE
  Bietet Flexibilität für vorübergehende Installationen, stark genug für dauerhafte Installationen
  
  
• WANDMONTAGE
  Kann für Installationen in Innen- und Außenbereichen verwendet werden.
  
  
• MASTMONTAGE
  Empfiehlt sich für maritime oder Bauwendungen.

• WAND-/KLEBEMONTAGE
  Bietet die Option einer Wand- oder Klebemontage bei Installationen an Gebäudewänden
  
  
• KLETT-/KLEBEMONTAGE
  Eine Lösung für die vorübergehende Antennennutzung
  
  

Frequenz und Wellenlänge

Was ist die Frequenz und warum ist sie so wichtig? Das drahtlose Band, das auf den Betrieb eines Geräts ausgelegt ist, wird als Frequenz bezeichnet. Antennen sind auf den Betrieb in einem bestimmten Frequenzbereich ausgelegt. Falls ein Gerät bspw. auf die Verwendung von Band 17 (700 MHz) eingestellt ist, muss die dazugehörige Antenne für Übertragung und Empfang auf einen Betrieb im Bereich von 704 und 746 MHz ausgelegt sein.

Wissen Sie wirklich, was die Wellenlänge bedeutet? Die Wellenlänge ist die Entfernung, die Funkwellen während eines Zyklus zurücklegen. Ein Antennendesign mit einer Viertel-Wellenlänge liefert die beste Effizienz und höchste Signalqualität.

Die Viertel-Wellenlänge berechnet sich nach der folgenden Formel:
Quarter Wavelength(mm) = (75/ Freq_MHz)*1,000

Wichtiger Hinweis: 4G-LTE- und 3G/2G-Antennen haben das Potenzial zur Verwendung bei Anwendungen, die ISM-Standards erforderlich machen. Die Reichweitenspezifikation bei 4G LTE von 698-960 MHz und bei 3G/2G von 824-960MHz bedeutet, dass für den Betrieb die ISM-Standards für 868 MHz von 863-870 MHz gelten und innerhalb der Reichweite von 4G LTE und 3G/2G liegen. Gleiches gilt für ISM-Standards für 915 MHz, die innerhalb von 902-928 MHz arbeiten oder für das Dualband 868/915MHz.

Bitte kontaktieren Sie die Vertriebsabteilung von SOS electronic, um die ordnungsgemäße Kompatibilität sicherzustellen. Bezüglich eingehenderer Analysen wenden wir uns direkt an den Hersteller 2J Antennas.

Abb. 1, Beispiele für 1/4-Wellenlänge; Frequenz- / Längenschaubild

Standards und Bänder

In unserem Sortiment finden Sie viele Antennen von 2J Antennas, die mit zahlreichen globalen Standards funktionieren. Unsere 4G LTE-Antennen bspw. sind mit Cat-M, Cat-X, Cat-NB, NB-IoT und zudem mit SigFox und LoRa (LPWA-Markt) kompatibel. Die gleiche Analogie ist häufig auf andere Frequenzbereiche übertragbar. WIFI-Antennen bspw. können für SigFox oder LoRa in der 2.4 GHz Bandbreite verwendet werden. 
GNSS-Antennen sind mit Vorfilter, Zwischenfilter oder ohne Filter erhältlich, um verschiedene Kundenanforderungen zu erfüllen. Vorfilter bieten den höchsten Widerstand und den besten Empfang und sie sind daher der Standard bei allen GNSS-Antennen. Bei GNSS-Antennen ist es wichtig, den aktiven Gewinn und das Rauschen am Verstärker miteinander zu vergleichen.

Antennen-Standards auf Grundlage des Angebots:

• 5GNR/4GLTE/FirstNet/CBRS/LPWA/3G/2G
• 4GLTE/FirstNet/NB-IoT/Cat-X-Mx-NBx/LPWA
• 3G/2G
• 2.4-5.0GHz WiFi/Bluetooth/ISM
• IRIDIUM
• GPS/GLONASS/BeiDou/QZSS/Galileo
• 433/868/915MHz/LPWA/Sigfox/LoRa /RFID/ZigBee/ISM
• TETRA/UHF/PMR/LMR
• 169MHz/ERMES/VHF
• DECAWAVE
• DSRC/C-V2X
• ORBCOMM 
• AIS
• DAB
• HDTV/DVBT
• AM/FM 

Abb.2, Frequenz mit Abbildung des Standard-Schaubilds

2. Begriffserklärung

Um die Auswahl zu vereinfachen, haben wir bestimmte wichtige Punkte hervorgehoben, die der näheren Betrachtung bedürfen. Am effektivsten ist es, die bevorzugte Antenne mit anderen Produkten zu vergleichen. Doch verstehen Sie wirklich die Parameter, mit denen Antennen getestet und gemessen werden, um die zuverlässigsten Leistungsergebnisse zu erzielen?

Testparameter
Testparameter und -methoden können von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sein. Die Testmethoden (bspw. freie Fläche, Metallplatte, Kunststoffplatte, Glas usw.) sollten immer komplett offengelegt werden. Die Installation von Antennen unter Bedingungen außerhalb der Testparameter wird in einer unerwünschten Antennenleistung resultieren.

Falls bspw. eine Antenne mit Schraubmontage an einer feien Fläche gemessen wird und optimale Leistungsergebnisse zeigt, und dann im Gerät des Kunden an einer Metalloberfläche installiert wird, funktioniert die Antenne nicht erwartungsgemäß. 2J Antennas legt stets alle Messbedingungen offen, um unseren Kunden möglichst genaue Daten bereitzustellen, damit sich die Integration der Antenne in das Gerät erfolgreich gestaltet. Für eine intelligente Auswahl zwischen zwei Herstellerprodukten raten wir dazu, dass alle Tests mit einem hochwertigen Kabel mit Standardlänge durchgeführt werden sollten, um die Ergebnisse der Antennenleistung zu optimieren. Während Tests sollen keine Änderungen in Form von bspw. kürzeren oder längeren Kabeln vorgenommen werden. Dies führt zu Ungenauigkeit in puncto Effizienz, Antennengewinn und Durchschnittsgewinn.

Reflexionsdämpfung
Die Reflexionsdämpfung wird in Dezibel (dB) gemessen und repräsentiert die Energieübertragung von Gerät zu Antenne. Sie kann bei der Einschätzung der Bandbreite und der Betriebsfrequenzen helfen.
Je geringer das Messergebnis, desto besser. Für ein System mit 50 Ohm empfiehlt sich ein Messwert von mindestens -5 dB oder besser.

Spannungswelligkeitsfaktor
Der Spannungswelligkeitsfaktor (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) wird herangezogen wird, um zu messen, wie viel Energie vom Gerät an die Antenne übertragen wird, hierbei wird jedoch ein anderer mathematischer Maßstab angelegt, als bei der Reflexionsdämpfung (Return Loss). Je geringer der Messwert, desto besser: D. h. in der Nähe eines Systems mit 50 Ohm empfiehlt sich ein maximaler Spannungswelligkeitsfaktor von 3,5. Bitte schauen Sie sich die nachstehende Tabelle an, um mehr über das Verhältnis zwischen Return Loss und VSWR sowie andere RF-Parameter und -Werte zu erfahren.

Tabelle 1, Umrechnungstabelle Return Loss zu VSWR und weitere RF-Parameter.

Die Bandbreite ist ein Frequenzbereich. Ein kurzer Frequenzbereich wird als Schmalband bezeichnet und eine größerer Frequenzbereich als Breitband kategorisiert. Es ist wichtig, die richtige Antenne mit der passenden Bandbreite auszuwählen, da Schmalband und Breitband nicht austauschbar sind.

Effizienz
Die Antenneneffizienz (Abstrahlungseffizienz/Strahlungswirkungsgrad) ist der wichtigste Parameter einer Antenne bei der Mobilkommunikation. Sie wird als elektrische Leistung gemessen, mit der eine Funkantenne die empfangene Funkfrequenzleistung in abgestrahlte Leistung umwandelt. Anders gesagt: Wie viel Energie wird von der Energie in die Atmosphäre abgestrahlt, wie gut kann die Antenne Energie abstrahlen. (100 % bedeutet, dass die gesamte Energie abgestrahlt wird, 50 % bedeutet, dass die halbe Energie abgestrahlt wird, es empfiehlt sich eine Effizienz von mindestens 25 %, in manchen Fällen kann diese auf bis zu 10 % sinken – grundsätzlich gilt jedoch, je höher, desto besser).

Antennengewinn
Der wichtigste Parameter in der Mobilkommunikation nach der Antenneneffizienz ist der Antennengewinn (Peak Gain). Der Antennengewinn bemisst sich nach der Fähigkeit einer Antenne, Funkfrequenzenergie in eine bestimmte Richtung oder in einem bestimmten Muster zu richten bzw. zu bündeln. Sie wird typischerweise in dBi (Dezibel im Verhältnis zu einem isotropen Radiator) gemessen. Bei der Effizienz wird gemessen, wie viel Energie in die Atmosphäre in alle Richtungen abgestrahlt wird, während der Gewinn lediglich in einer einzigen Richtung gemessen wird. Bei der festen Kommunikation ist der Antennengewinn der wichtigste Parameter, da alle Energie in eine einzige Richtung gebündelt werden muss.

Dieser Wert geht auf einen einzigen Punkt im Abstrahlungsmuster zurück, welcher den Hochpunkt in der 3D-Sphäre darstellt.

Durchschnittlicher Gewinn
Ähnlich wie bei der Effizienz, wird der durchschnittliche Gewinn mit einer mathematischen Skala (dB) repräsentiert, bei der auch Verluste aufgrund von Fehlanpassungen berücksichtigt werden. 100 % sind 0 dB, was dem Maximum an abgestrahlter Energie entspricht, 50 % sind -3 dB, was der Hälfte der abgestrahlten Energie entspricht usw. Bitte schauen Sie sich die nachstehende Tabelle an, um das Verhältnis zwischen Effizienz und durchschnittlichem Gewinn zu erkennen:

Tabelle 2, Tabelle Effizienz/ Durchschnittlicher Gewinn

Abstrahlungsmuster
Das Abstrahlungsmuster einer Antenne bestimmt die Stärke der von der Antenne übertragenen Funkwellen, die in verschiedene Richtungen und Winkel reisen.
Rundstrahlantennen (omnidirektional) haben ein Donut-förmiges 360-Grad-Abstrahlungsmuster, das sich einheitlich in alle Richtungen verteilt und ideal für die Vernetzung von Geräten geeignet ist, die sich auf der gleichen Ebene und nebeneinander befinden.
Hemisphärenantennen verteilen ihre Abstrahlung über eine Hemisphäre (die Hälfte der Fläche).
Richtantennen (direktional) strahlen in eine anvisierte Richtung ab und ermöglichen Übertragungen über größere Entfernungen mit weniger Interferenzen. Auf der Abbildung ist zu sehen, wie die Energie in einem dreidimensionalen oder zweidimensionalen Muster in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Das Muster des 2D-Schaubilds zeigt die horizontale und vertikale Ebene. Abb. 3.

Abb. 3, Abstrahlungsmuster 3D- und 2D-Schaubild

Polarisation
Die Polarisation ist die Ausrichtung des elektrischen Felds von einer elektromagnetischen Welle. Die beiden häufigsten Polarisationen sind die lineare und zirkulare Polarisation.

Bei der linearen Polarisation bleibt der Vektor des elektrischen Felds in der gleichen Ebene, während bei der zirkularen Polarisation der Vektor des elektrischen Felds in Kreisbewegungen rotiert, sodass bei jedem RF-Zyklus ein volle Umdrehung absolviert wird. Diese Rotation kann rechtsgerichtet (RHCP) oder linksgerichtet (LHCP) ablaufen. Die Messungen und Polarisationsänderungen werden anhand der Wellenübertragungen von übertragender Antenne an empfangende Antenne durch die Umgebung ermittelt.

3.Spezifikation

Massefläche
Massefläche Eine Massefläche ist eine Oberfläche oder ein Metall, das als Leiter fungiert und die Funkwellen von anderen Antennenbauteilen zurückwirft. Die Form, Größe und der erforderliche Freiraum der Massefläche spielen eine wichtige Rolle für die Bestimmung von Abstrahlungscharakteristika und Gewinn.

Unser Sortiment an Antennen von 2J Antennas umfasst Antennen, die an eine Massefläche gebunden sind oder an keine Massefläche gebunden sind. 2J Antennas

Niederfrequenzantennen wie Rundfunkantennen akzeptieren große Masseleiter wie die Erde oder das Meer als hinreichende Massefläche. Bei Antennen für sehr hohe Frequenzbereiche (Very High Frequenc, VHF) und ultrahohe Frequenzbereiche ( Ultra-High Frequency, UHF) kann eine kleinere Massefläche in Form einer Metallscheibe, einer Abschirmung oder eines Drahts verwendet werden. Im Automobilsektor, im maritimen Bereich und in der Klimatechnik können Metallgehäuse (Auto / Flugzeug / Schifffahrt) als hinreichende Massefläche fungieren.

Als Daumenregel gilt, dass die leitende Oberfläche im Durchmesser mindestens einer Viertel-Wellenlänge der Funkwellen entsprechen muss und dass die Regelung der elektrischen Leistung im Idealfall umso besser ist, je größer die Massefläche ist. 

Maximale Eingangsleistung
Die maximale Eingangsleistung ist die maximale Menge an Strom (in Watt), die unbeschadet an einen Antennenanschluss übertragen werden kann, während die Leistung erhalten bleibt.

Kabel- und Steckverbindertypen
Die richtige Auswahl an RF-Kabel- und Steckverbindertypen ist entscheidend für die ordnungsgemäße Antennenfunktion. Der Steckverbinder dient als mechanische Verbindung zwischen der Antenne und dem RF-System, und das Kabel ist die Übertragungsleitung für Funkfrequenzsignale, die mit Transmittern und Empfängern verbunden sind. Die Kabellänge wirkt sich auf die Signalqualität und -stärke aus. Die Auswahl hochwertiger Kabel und Steckverbinder, die mit der Antenne kompatibel sind, stellt eine optimale Antennenleistung sicher. Bei der Auswahl eines Produkts ist es wichtig, die richtige Ausführung.

Polarität und Geometrie des Steckverbinders sowie die Kabellänge zu ermitteln, bevor ein Angebot eingeholt wird.

Wir freuen uns über Ihr Interesse an Antennen. Lesen Sie auch den Folgebeitrag.

2J Antennas ist seit Langem unser bewährter Partner auf dem Gebiet der Antennentechnik. Die wertvolle Erfahrung des Unternehmens ist ein großer Vorteil für uns als projektorientierter Distributor. Viele Projekte unserer Kunden haben von dem umfangreichen Angebot des Unternehmens wie auch von den kundenspezifischen Lösungen durch Fachkräfte von 2J Antennas profitiert.

Falls Sie weitere Informationen über die Produkte von 2J Systems benötigen, helfen wir Ihnen gerne über die E-Mail-Adresse info.de@soselectronic.com weiter.

Quelle: 2J Antennas