Antennenauswahl für Industrie-WLANs
Richtig senden und empfangen
Drahtlosapplikationen erfahren derzeit ein rasantes Wachstum in allen Teilen der Welt - gleichgültig, ob im Bereich Sprache, Video oder Daten. Die Branche arbeitet kontinuierlich an neuen Wireless-Techniken, die die Geschwindigkeit steigern, die Flexibilität verbessern und die Kosten reduzieren. Eine wichtige Rolle dabei spielen die Antennen, denn wenn diese Komponenten nicht passen, leiden sowohl Leistung als auch Zuverlässigkeit der Übertragung.
Laut den Marktforschern von Deloitte ist im Rahmen des Internets of Things allein im Jahr 2015 eine Milliarde Wireless-Geräte zur Auslieferung gekommen. Dies entspricht im Vergleich zum Vorjahr einem Plus von 60 Prozent. Der Bestand ist so auf insgesamt 2,8 Milliarden Geräte gewachsen. Aber auch die Zahl neuer Drahtlostechniken wächst unaufhaltsam. Dabei geht es längst nicht mehr nur um die klassischen Handy-, Wifi- (802.11n) und Bluetooth-Technik, sondern zum Beispiel auch um LPWAN (Low Power Wide Area Networks), Schmalband-ISM-Frequenzen, LTE-A, LTE unlicensed, 802.11ac und MIMO-Varianten.
Neue Technik
Diese Trends beherrschen zurzeit die Industrie. In der Vergangenheit waren die Industriemärkte bei der Akzeptanz neuer Techniken häufig eher konservativ, derzeit jedoch erlebt die Branche ein erhebliches Wachstum bei der Einführung von neuen Wireless-Konzepten. Dies hängt einerseits mit der steigenden Zuverlässigkeit zusammen, ist jedoch auch durch die schnellen Einführungszyklen bei den Endnutzern getrieben. Bisher reichten oft einfache Direktverbindungen (PTP- oder häufig Scada-Applikationen), doch inzwischen sind zum Beispiel im Bereich der intelligenten Stromnetze und Präzisionsanwendungen in der Landwirtschaft Architekturen verbreitet, die eine PTM-Kommunikation (Point to Multipoint) erforderlich machen.
Bei der Entwicklung von Wireless-Geräten sind daher alle Elemente einer Funkverbindung zu berücksichtigen, einschließlich der Antennen. Diese spielen sogar eine ganz besonders wichtige Rolle, da sie die elektromagnetische Welle modulieren, wenn das Funksignal das Gerät verlässt und sich ausbreitet. Es spielt keine Rolle, wie gut das Gerät ist - wenn die Antenne zum Senden und Empfangen des Signals nicht optimal auf das Gerät und die Anwendung abgestimmt ist, leidet die Leistung und die Zuverlässigkeit der Verbindung ist nicht gewährleistet.
Für die Auswahl und Spezifizierung einer Antenne gibt es verschiedene elektrische und mechanische Parameter. Dies gilt besonders für industrielle Anwendungen, wo es vor allem auf Robustheit und Kompatibilität ankommt. Elektrotechnisch gesehen ist der Antennengewinn nicht unbedingt am wichtigsten, obwohl diese Ansicht weit verbreitet ist. Grundsätzlich sollten folgende Auswahlfaktoren an erster Stelle stehen: Die Konsistenz im Antennenrichtdiagramm und den Ports, die Isolierung (bei MIMO-Antennen) und der Reflexionsfaktor. Immer mehr Technikversionen decken immer breitere Frequenzbereiche ab (zum Beispiel LTE: 699 MHz bis 960 MHz und 1.710 MHz bis 2.700 MHz). Deshalb sollte das Antennenrichtdiagramm in allen Bereichen möglichst ähnlich sein, um mit einem Gerät ähnliche HF-Ergebnisse erzielen zu können - gleichgültig, welche Frequenzen die Anwendung nutzt.
Elektrotechnische Aspekte bei der Antennenauswahl
Die Entwicklung und Auswahl von MIMO-Antennen (Kombination mehrerer Sende- und Empfangselemente) erweisen sich als noch komplizierter. Dabei geht es nicht nur um vergleichbare Leistungswerte in verschiedenen Frequenzbändern, sondern auch an jedem Port. Dies ist leichter gesagt als getan, da es stets zu Interferenzen zwischen den verschiedenen Elementen kommt. Deshalb spielen sowohl die Konstruktion der Elemente als auch ihre Position in der Antenne eine wichtige Rolle. Die physische Trennung der Elemente bedingt die Isolierung zwischen den Ports in einer MIMO-Antenne. Je besser die verschiedenen Elemente gegeneinander isoliert sind, desto konsequenter lassen sich Interferenzen ausschließen und die Leistung des angeschlossenen Geräts optimieren.
Der Reflexionsfaktor - also die Energie, die zum Funkgerät zurückgeworfen wird - ist wichtig, weil er etwas über die Effizienz des Systems aussagt und das Gerät durch diesen Effekt beschädigt werden kann. Messungen dieses Wertes sollten so nah wie möglich an den Sendeelementen erfolgen und nicht am Ende eines langen Kabels, weil hier immer etwas von der reflektierten Energie absorbiert wird.
Mechanische Aspekte - wichtig beim industriellen Einsatz
Die mechanischen Eigenschaften einer Antenne sind mindestens so wichtig wie die elektrischen. Vor allem in der Industrie diktiert die jeweilige Applikation häufig selbst die mechanischen Anforderungen. Das Gehäuse der Antenne sollte den mechanischen Spezifikationen und Umweltbedingungen der Anwendung entsprechen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, Schutzart und Stoßsicherung). Industrielle Anwendungen sind nicht selten durch raue Umgebungsbedingungen gekennzeichnet, was eigensichere oder bei Bedarf sogar explosionsgeschützte Geräte erforderlich macht.
Auch die verwendeten Werkstoffe (Kunststoffe, Fiberglas, Messing, Aluminium) müssen den mechanischen Anforderungen und Umweltbedingungen entsprechen und strenge Tests durchlaufen (MIL-STD, EN). Natürlich hat dies seinen Preis. Schlussendlich macht sich jedoch eine qualitativ hochwertige, haltbare und zuverlässige Antennenlösung durch bessere Leistung bezahlt und rechtfertigt so die Investition. Konkret bedeutet dies: Bei der Auswahl einer Antenne für eine industrielle Anwendung sollte nicht der Preis im Vordergrund stehen.
Eine häufig gestellte Frage im Zusammenhang mit den mechanischen Merkmalen bezieht sich auf die Schutzart (IP) und darauf, ob Antennen komplett eingekapselt sein sollten oder "belüftet" sein dürfen. Ungekapselte Antennen (Schutzart meist IPX5 oder darunter) bieten keinen Schutz gegen Eindringen von Wasser, verfügen jedoch über Ablauföffnungen, sodass keine Auswirkungen auf die Elektrik zu befürchten sind. Demgegenüber lassen verkapselte Antennen (mindestens IPX7) erst gar kein Wasser eindringen. Doch wenn verkapselte Antennen Konstruktionsmängel aufweisen, kann die Versiegelung im Laufe der Zeit leiden und Feuchtigkeit, Wasser und Schnee bleiben im Inneren "gefangen". Dies wirkt sich dann auch auf die Elektrik und die Antennenleistung aus. Natürlich spezifiziert der Kunde die erforderliche Schutzart auf der Basis der konkreten Anwendung. Dennoch kann für die meisten industriellen Wireless-Applikationen eine offene Antenne ebenso gut (oder besser) geeignet sein wie eine gekapselte Antenne.
Ausblick
Ein Blick in die Zukunft: Die Technik wird sich in den nächsten Jahren stetig weiterentwickeln und die Komplexität und Interoperabilität der Netzwerke wird sich auf einem hohen Niveau bewegen. Performancekritische Applikationen werden weiterhin auf drahtlose Netze angewiesen sein. Der Hersteller Pctel rät Anwendern, die ganze Bandbreite des Antennenportfolios auszunutzen. Auf dem Markt sind stationäre und mobile Indoor- und Outdoor-Lösungen mit unterschiedlichsten Montageoptionen verfügbar, sodass sich für jede Anwendung die passende Lösung finden lässt.
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