Lauscher aufgestellt

Reichweitenerhöhung durch optimierte Antennentechnik

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Eine Reichweite von 100 Metern hatten die Bluetooth-Entwickler noch vor einigen Jahren als Maximum betrachtet. Ausgeklügelte Antennentechnik hilft bei der aktuell möglichen Verdopplung dieser Weite.

Die Sendeleistung von Bluetooth-Geräten ist "gedeckelt", und mit maximal 100 mW EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) liegt sie auf dem Niveau anderer Schnurlostechniken, WLAN etwa, das wie Bluetooth im 2,4-GHz-Band funkt. Die Ingenieure haben damals, als die Spezifikation festgeklopft wurde, mit diesem Eckwert Reichweiten von maximal 100 Metern angepeilt. Damit gaben sich die Anwender aber nicht zufrieden, und so tüfteln die Entwickler an besseren Antennen, um bei maximaler Sendeleistung die Reichweite immer weiter zu steigern.

Dabei sind diverse Herausforderungen zu meistern. Auf der technischen Seite zählen dazu ein möglichst hoher Wirkungsgrad, kleine Bauform, gute Abstrahlcharakteristik und ausreichende Bandbreite, auf der betriebswirtschaftlichen Seite die Kosten. Wichtig ist aber auch die mechanische Stabilität: Abstehende Antennen knicken beim Transport leicht ab, Vibrationen lösen Kontakte ...

Der Ingenieur muss zunächst aus einer Vielzahl von grundlegenden Strahlelementen wie Linear-, Form-, Schleifen- oder Schlitzantenne eine auswählen. Linearantennen sind zum Beispiel einfache, geradlinige (lineare) Drähte. Werden diese Drähte gekrümmt, spricht man von Form- beziehungsweise Schleifenantennen. Je nach Form und Länge können sie als Dipol oder Halbdipol (auch Monopol genannt) betrieben werden – das hängt von der Einspeisung der HF-Leistung und dem Aufbau der Antenne gegenüber einer Masseebene ab.

Bei Bluetooth kommen aus Kosten- und Platzgründen inzwischen fast nur noch Leiterplatten- beziehungsweise SMD-Antennen zur Anwendung. Erstere, auch gedruckte Antennen genannt (printed antennas), sind Strukturen, die sich aus der Kupferschicht der äußeren Lagen einer Platine sehr preisgünstig und in fast beliebiger Form herstellen lassen. SMD-Antennen wiederum bestehen ebenfalls aus einer Kupferschicht, die – auf einem Keramik- oder Kunststoffträger aufgebracht – zur maschinellen Bestückung geeignet ist. Als zusätzliches Bauteil verursachen sie aber Extra-Kosten.

Ein Vorteil dieser Antennen kann in einer kompakteren Baugröße liegen; weil Keramikträgermaterial eine größere relative Dielektrizitätskonstante als Platinenmaterial hat, kann die Antenne bei gleicher Leistung kleiner ausfallen. Auch ist in der Regel der Abstand des strahlenden Elements zur Platine größer, und die Verluste (eingespeiste Leistung gegenüber EIRP) können bei geschickter Wahl des Materials, der relativen Dielektrizitätskonstante und der ohmschen Verluste geringer ausfallen.

Die F-Antenne hat sich für den Mikrowellenbereich als besonders geeignet gezeigt. Es handelt sich um einen asymmetrisch gespeisten Monopol, der aus Platzgründen häufig als Schleife ausgeführt ist. Charakteristisch ist der Einspeisepunkt der elektrischen Energie neben einem Kurzschluss gegen Masse. Dadurch wird ein Stromknoten am Einspeisepunkt erzwungen (Punkt mit maximaler oder hoher Stromdichte). Den ersten Resonanzpunkt, bei dem die Antenne also die eingespeiste Leistung überwiegend als vorgesehene Wellenlänge abstrahlt, erhält man deshalb bei einer Länge von Lambda/4 (Lambda ist die Wellenlänge der eingespeisten Trägerfrequenz). Geht man beim Leiterplattenmaterial FR4 von einer relativen Dielektrizitätskonstante von rund 4,3 aus, ergibt sich eine Länge von etwa 2,5 cm.

Der Leistungseintrag in die Antenne und damit auch die Effizienz des Systems hängt von der Antennenimpedanz ab. Diese Impedanz wird durch die Antennen-Geometrie, die Leiterplatte sowie die Umgebung bestimmt. Auch das Gehäuse spielt eine wichtige Rolle. Bei den kleinen Bluetooth-USB-Steckern beträgt zum Beispiel die abgestrahlte Leistung ohne Gehäuse 50 mW und mit Gehäuse steigt sie auf 100 mW. Zudem ändert sich die Frequenzabhängigkeit der Antenne deutlich.

Dem muss Rechnung getragen werden, zum Beispiel über Anpassung der Ausgangsimpedanz der Leistungsendstufe an die Impedanz der Antenne. Fertigungstoleranzen in der Produktion können so unter Umständen ausgeglichen werden.

Die F-Antenne arbeitet in Resonanz, was zu einer grundsätzlich geringeren Bandbreite der Antenne führt – die Leistung ist ungleichmäßig über das angestrebte 2,4-GHz-Band verteilt. Man versucht daher, die Resonanzbandbreite zu erhöhen, indem man die Form anpasst (zum Beispiel breitere Kupferbahnen), Material mit geringerer relativer Dielektrizitätskonstante einsetzt oder auch künstlich und frequenzabhängig die Länge erhöht – der Entwickler muss das Verhältnis von Wirkungsgrad zu Bandbreite zu einem guten Kompromiss führen, oft mit Simulationsrechnungen und gezieltem Probieren.

Ein weiteres Manko von gedruckten Leiterplattenantennen kann die sekundäre Erregung von elektrischen Resonanzen auf der Leiterplatte sein. Die Rückwirkung der Antenne auf die elektronischen Komponenten der Schaltung ist bei Leiterplattenantennen stärker spürbar als bei externen Antennen. Entsprechend müssen die HF-Funktionsgruppen auf der Platine dafür besser gegen die Ausgangs-HF geschützt sein – bei externer Antenne schirmt unter Umständen schon das Gehäuse ausreichend ab.

Formen-Vielfalt: Hier sind nur vier der einfacheren Antennengrundformen skizziert, im Prinzip gibt es "unendlich" viele verschiedene Antennenformen.

Leiterplattenantennen haben üblicherweise schlechte Polarisationseigenschaften. Das ist bei den meisten Bluetooth-Clients sogar wünschenswert, denn man will ja nicht jedes Mal, wenn man sich etwa zum Surfen niederlässt, die Antenne respektive den Laptop auf den Server ausrichten. Auch ist die Richtstrahlwirkung meist sehr klein, was auch der Regulierer fordert.

Ausgedrückt wird die Richtcharakteristik über den Antennengewinn. Damit ist das Verhältnis der maximalen Sendeleistung in einer Richtung im Verhältnis zum isotropen Kugelstrahler gemeint. Es wird auf einer logarithmischen Skala in dBi angegeben, wobei das i den Bezug zum isotropen Strahler kennzeichnet. Übliche Werte liegen bei 1,5 bis 2,5 dBi. Entwickler, die Access Points bauen, dürften sich etwas höhere Werte wünschen, da solche Geräte oft ortsfest in Fluren oder an Zimmerwänden installiert werden, einen Teil ihrer gleichmäßig in alle Richtungen abgegebenen Strahlung also verschwenden.

Andere Antennen-Forschungsgebiete klingen fast schon esoterisch. Mit Hilfe ausgeklügelter Simulationssoftware werden etwa fraktale oder auch Multiband-Antennen entwickelt und sogar dreidimensional gefaltete. Gerade im Bereich WLAN wird ein erheblicher Aufwand betrieben. Bluetooth profitiert davon kaum, denn bei WLAN geht die Entwicklung vorwiegend in Richtung Dual-Band- und Richtantennen. (dz)

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