Die kabellose Kommunikation nimmt mit geradezu unglaublicher Geschwindigkeit zu. In den letzten zehn Jahren hat sich die Zahl der Smartphone-Nutzer beinahe vervierfacht, so Statista. Fast jede Branche implementiert mittlerweile kabellose Geräte. Smart Infrastructure, das Internet der Dinge, intelligente Fahrzeuge und die Unterhaltungsindustrie sind nur einige der Bereiche, für die hochmoderne Antennensysteme überlebensnotwendig sind. Dieser Artikel erläutert die grundlegenden Prinzipien von Antennensystemen, die unterschiedlichen Arten von Antennen sowie die mögliche Zukunft fortschrittlicher Antennen.
Vier Eigenschaften moderner Antennenarten
Moderne Antennensysteme ermöglichen die Übertragung und den Empfang elektromagnetischer Wellen mit hoher Effizienz, Signalqualität und erweiterter Abdeckung. Um solche Systeme mit optimaler Leistung zu konstruieren, berücksichtigen Ingenieure für jede spezifische Anwendung vier grundlegende Eigenschaften von Antennen.
Die elektromagnetische Frequenz
Die Frequenz elektromagnetischer Strahlung kann angepasst werden. Die entsprechende Messgröße wird als RF (Radio Frequency, Funkfrequenz) bezeichnet und belegt bestimmte Frequenzbänder des elektromagnetischen Spektrums. Antennen wandeln elektrische Signale für Übertragung und Empfang in elektromagnetische Wellen um. Die Frequenz dieser Wellen wird von der jeweiligen Anwendung bestimmt.
So können etwa Langstrecken-„Over-the-Horizon“-Antennen niederfrequente elektromagnetische Wellen von 3 bis 30 MHz übertragen und empfangen, während 5G-Antennen mit deutlich höheren Frequenzen senden und empfangen von 450 MHz bis 7 GHz und von 25 GHz bis 52 GHz.
Antennenbandbreite
Während einfache Antennen nur eine einzige Frequenz verarbeiten, können die modernsten Antennen mit verschiedenen elektromagnetischen Frequenzen umgehen. Dieser Bereich wird als die „Bandbreite“ der Antenne bezeichnet. Die Bandbreite definiert das Spektrum zwischen dem niedrigsten und dem höchsten unterstützten Frequenzband.
Antennen mit geringer Bandbreite sind äußerst effizient, einfach und weniger störanfällig. Ihre Fähigkeit zur Anpassung an sich ändernde Kommunikationsstandards ist jedoch sehr begrenzt. Sie operieren grundsätzlich in einem begrenzten Frequenzbereich.
Antennen mit hoher Bandbreite bieten viel mehr Flexibilität über mehrere simultane Frequenzbänder hinweg und sind gewöhnlich kompakt. Solche Antennen sind aber deutlich störanfälliger. Dazu kommt, dass sie sehr sorgfältig entworfen und ausgeklügelte Signalinterpretationssysteme erfordern, wodurch sie teuer und komplex werden.
Die Verstärkung der Antenne
Die „Verstärkung“ einer Antenne kann so angepasst werden, dass die abgestrahlte Energie in eine bestimmte Richtung konzentriert wird. Die Verstärkung einer Antenne wird in Dezibel (dB) gemessen und gibt an, wie effektiv Signale übertragen oder empfangen werden. Sende-Antennen übertragen Funksignale gleichzeitig an mehrere Empfänger über unterschiedliche Distanzen, was zu sehr hohen Verstärkungswerten zwischen Dutzenden und Hunderten von Dezibel führt. WLAN-Antennen für Heimanwendungen dienen hingegen zur Abdeckung nur geringer Entfernungen und haben selten Verstärkungswerte über 10 Dezibel. Intuitiv gilt: Je höher die Verstärkung einer Antenne, um so höher ist auch der Energiebedarf für die Erzeugung des Signals.
Signalpolarisation
Die Polarisation einer Antenne ist die Ausrichtung der elektrischen Feldkomponente der von der Antenne erzeugten oder empfangenen elektromagnetischen Welle. Die Antennenpolarisation kann zur Verbesserung der Punkt-zu-Punkt-Leistung einer Antenne genutzt werden. Es gibt drei Haupttypen der Polarisation: vertikal (linear), horizontal (linear) und zirkulär.
- Antennen mit vertikaler Polarisation werden gewöhnlich in Sendesystemen eingesetzt, da viele Empfängerantennen ebenfalls vertikal orientiert sind, etwa solche in Kraftfahrzeugen.
- Die horizontale Orientierung wird oft für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über längere Distanzen hinweg eingesetzt, da solche Signale weniger empfindlich gegenüber atmosphärischen Bedingungen (etwa Regen) sind, die ein Signal stören und dessen Integrität beeinträchtigen können.
- Antennen mit zirkulärer Polarisation sind typischerweise in Satellitenkommunikationssystemen zu finden. Sie können unabhängig von der Orientierung oder Rotation der empfangenden Antennen, die sich oft mit ihrer Bewegung ändern, eingesetzt werden.
Grundlegende Arten von Antennen
Es gibt verschiedene verbreitete Arten von Antennen, die jeweils besondere Eigenschaften aufweisen, durch die sie sich für bestimmte Anwendungen eignen (und für andere nicht).
Dipol-Antennen
Dipol-Antennen, wie etwa die Pulse Electronics W5017, sind die am deutlichsten als solche erkennbare Art von Antennen und werden typischerweise zum Senden von Radio- und Fernsehsignalen, aber auch für kabellose Kommunikationssysteme wie WLAN-Router verwendet. Dipol-Antennen haben normalerweise eine geringe Bandbreite, die für eine bestimmte Frequenz optimiert ist. Ihre Verstärkungswerte sind mäßig und rangieren zwischen 2 und 6 dB. Aufgrund ihrer linearen Natur können solche Antennen mit vertikaler und horizontaler Polarisation operieren.
Parabolspiegelantennen
Parabolspiegelantennen, wie etwa die 2867885, werden oft einfach als „Satellitenschüsseln“bezeichnet, da sie gewöhnlich in Satellitenkommunikationssystemen zum Einsatz kommen, sie können aber auch für Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen über große Distanzen hinweg verwendet werden. Parabolspiegelantennen können mittlere oder große Bandbreiten aufweisen und so mehr Frequenzen unterstützen als Dipol-Antennen. Sie sind für ihre hohen Verstärkungswerte bekannt, zwischen 20 und 100 dB, und können lineare oder zirkuläre Polarisation unterstützen.
Array-Antennen
Array-Antennen bestehen aus mehreren einzelnen Antennenelementen, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind. Durch die bewusste Kontrolle der Phase und der Amplitude jedes Antennenelements können Array-Antennen „Beamforming“ unterstützen und den Signalstrahl direkt zum Empfänger steuern und so die Signalqualität verbessern. Diese Antennensysteme unterscheiden sich je nach Anwendung und können mittlere bis hohe Bandbreiten erreichen. Ihre Verstärkung liegt im mittleren Bereich (zwischen 10 und 30 dB) und sie können lineare (horizontale oder vertikale) und zirkuläre Polarisation unterstützen. Die Polarisation einer Array-Antenne ist jedoch eine Funktion der Polarisation der einzelnen Antennenelemente. Array-Antennen sind oft an der Spitze von Telekommunikationstürmen zu sehen und kommen in dicht besiedelten städtischen Regionen zum Einsatz. Diese Array-Antennensysteme ermöglichen komplexe Kommunikationsinfrastrukturen wie etwa 5G-Antennen, MIMO (Multi Input and Multi Output)-Infrastrukturen und vieles mehr.
Patch-Antennen
Als sehr kleine Antennen werden Patch-Antennen, wie etwa die Abracon APAGM2704A-C2G in tragbaren und anderen kabellosen Kommunikationsgeräten eingesetzt. Diese Antennen bestehen aus einem flachen Metallteil auf einem dielektrischen Substrat, das zur Unterstützung linearer und zirkulärer Polarisation gestaltet werden kann. Patch-Antennen haben typischerweise mittlere Verstärkungswerte zwischen 2 und 9 dB und mittlere bis hohe Bandbreiten, je nach Konfiguration.
Moderne Antennensysteme der Zukunft
Die physikalischen Grundlagen für kabellose Antennen bleiben natürlich immer gleich, die Systeme, die die Antennenkommunikation kontrollieren, optimieren und ihre Effektivität verbessern, werden jedoch künftig immer weiterentwickelt werden. Die Verwendung unterschiedlicher Arten von Antennen hängt von Frequenz, Bandbreite, Verstärkung und der Polarisation der Antennenfunktion ab. Moderne kabellose Systeme bestehen aus den in diesem Artikel vorgestellten Antennenarten sowie aus speziell entwickelten Antennen auf der Grundlage dieser Typen. Die allgemeinen Fähigkeiten eines kabellosen Systems können von der verwendeten Antenne erheblich beeinflusst, aber auch von Signalsteuerungssystem manipuliert werden.
Viele moderne Anwendungen von Antennentechnologien nutzen komplexe Steuerungssysteme wie etwa MIMO, Beamforming, verteilte Antennen, Multiplexing oder Systeme mit räumlicher Diversität. Diese Anwendungen nutzen dieselben grundlegenden Eigenschaften, die in diesem Artikel vorgestellt werden, können aber die Kommunikationsleistung in gegenwärtigen und künftigen kabellosen Kommunikationssystemen drastisch verbessern. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in unserem anderen Artikel: „Erweiterte Anwendungen von Antennentechnologien“.
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