Eine optimale Antenne ist bei jedem Funksystem entscheidend!

Wer kann sich noch an die alten Mobiltelefone mit vorstehenden Antennen oben auf dem Gehäuse erinnern? Mit der Zeit wurden diese Antennen immer kleiner und bei den heutigen Smartphones scheint es auf den ersten Blick gar keine Antennen mehr zu geben. Wie ist das technisch möglich? Hat sich in den letzten Jahren die grundsätzliche Antennen-Theorie verändert? Wir beschäftigen uns seit vielen Jahren mit immer kleiner werdenden Antennen und deren Vor- und Nachteilen. In diesem Blog haben wir die wichtigsten Fakten zum Antennendesign zusammengetragen.



Das wichtigste vorweg: Für jede Funkverbindung wird ausnahmslos immer eine Antenne beim Sender und beim Empfänger benötigt. Einer guten Antenne ist genau wie früher auch heutzutage noch eine grosse Aufmerksamkeit zu schenken. Denn mit einer schlecht angepassten Antenne kann locker 50% oder mehr der Funkreichweite verschenkt werden. Auch moderne Smartphones haben noch immer diverse Antennen, diese sind jedoch meist in einer miniaturisierten Art und unsichtbar für den Benutzer direkt im Gehäuse integriert, mit dem Nachteil, dass der Antennen-Wirkungsgrad und somit die Funkreichweite etwas schlechter ist als früher. Dieser Nachteil wird jedoch mit einem immer dichter werdenden Mobilfunknetz kompensiert. Dafür konnte das Design vom Smartphone modernisiert werden, was besonders für den Verkauf ein entscheidender Faktor ist. 

Dieses Beispiel veranschaulicht deutlich, dass bei einer Entwicklung von einem Funksystem oft ein Kompromiss zwischen einem optimalen Wirkungsgrad der Antenne und einem optimalen Design vom Gehäuse gefunden werden muss. 


Wie muss eine gute Antenne aussehen?

Antennen gibt es in vielen verschiedenen Abmessungen und Formen. Anhand der Funkfrequenz, den Anforderungen der Anwendung und der Platzverhältnisse kann eine entsprechende Antenne für ein Produkt entwickelt werden. Grundsätzlich gilt: Je höher die Funkfrequenz, desto kleiner die Antenne. Ein Radio z.B. benötigt eine viel längere Antenne als ein WLAN-Gerät, da die Funkfrequenz des Radios viel tiefer ist als die des WLANs. Die optimale Länge einer einfachen Stabantenne kann anhand der verwendeten Funkfrequenz berechnet werden.  

Länge der Stabantenne = Lichtgeschwindigkeit / (Funkfrequenz*4)

Somit ergibt sich z.B. für eine 433 MHz Funkfernsteuerung eine optimale Antennenlänge von 17.3 cm. Und für ein Smartphone, welches die GSM-Funkfrequenz von 900 MHz verwendet, eine optimale Antennenlänge von 8.3 cm.

Glücklicherweise gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Antennen durch eine spezielle Form oder durch elektrische Bauteile zu miniaturisieren. Je mehr eine Antenne jedoch von der optimalen Länge abweicht, desto grösser werden die Verluste und somit sinkt der Wirkungsgrad und die Funkreichweite.



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Verschiedene Funkantennen: 1) Richtantenne für Funkmessungen, 2) Antenne im Layout integriert, 3) Helix-Antenne, 4) Patch-Antenne, 5) Stabantennen 


Richtantennen

Eine besondere Eigenschaft jeder Antenne ist die Abstrahlungsrichtung. Eine senkrechte Stabantenne z.B. strahlt die Funkwellen 360° horizontal optimal ab. Hingegen werden nach unten und oben kaum Funkwellen abgestrahlt. Vergleichen kann man eine solche Stabantenne mit einer Stangenlampe, welche das Licht auch 360° rundherum gleich gut abstrahlt. Das gesamte Licht wird so auf den Raum verteilt. Auch die Funkwellenenergie wird bei einer Stabantenne ringsherum verteilt.

Will man nun die gesamte Energie in eine bestimmte Richtung konzentrieren, wie dies z. B. bei einem Autoscheinwerfer gemacht wird, gibt es sogenannte Richtantennen. Diese Antennen strahlen die Funkwellen bevorzugt in eine Richtung ab und erreichen so in diese Richtung eine grössere Funkreichweite. Diese Richtwirkung wird in der Theorie als GAIN bezeichnet und in der Einheit [dBi] angegeben. Je höher dieser dBi-Wert desto mehr Richtwirkung hat eine Antenne.

Um für eine bestimmte Anwendung eine optimale Antenne zu entwickeln, ist es daher wichtig zu wissen, ob das Funksystem nur in eine Richtung oder ringsherum gut funktionieren muss.



Unterschied der Reichweite einer Richtantenne und einer Stabantenne

Unterschied der Reichweite einer Richtantenne und einer Stabantenne.


Welchen Einfluss hat ein Gehäuse auf die Antenne

Es gibt verschiedene Gehäusematerialien wie Kunststoff, Holz, Metall, usw. Teilweise wird die Elektronik und somit auch die Antenne sogar mit einer Kunstharz-Vergussmasse überdeckt. Welchen Einfluss haben diese Materialen auf den Wirkungsgrad der Antenne?

Grundsätzlich kann das Gehäusematerial und somit der Einfluss auf die Antenne in zwei Arten eingeteilt werden.

  • Bei Gehäusen aus elektrisch leitendem Material wie z.B. Metall, werden die Funkwellen der Antenne praktisch vollständig abgeblockt. Der Wirkungsgrad der Antenne sinkt auf ein Minimum und daher muss die Antenne zwingend ausserhalb vom Gehäuse montiert werden, um eine maximale Reichweite zu erreichen.
  • Gehäuse aus nicht elektrisch leitenden Materialien wie z.B. Kunststoff oder Holz können eine Antenne zwar beeinflussen, im Normalfall ist es aber möglich, diese Beeinflussung durch entsprechende Anpassung der Antenne praktisch vollständig zu kompensieren. Die Funkwellen werden nur minimal gedämpft und somit ist kann die Antenne ohne weiteres im Gehäuse „versteckt“ werden, da der Antennenwirkungsgrad kaum beeinflusst wird.

Funktechnisch zu bevorzugen sind daher Gehäusematerialien, die elektrisch nicht leitend sind. So kann die Antenne im Normalfall im Gehäuseinnern versteckt werden und ist somit für den Benutzer unsichtbar.


Warum legt "Schmidiger Funklösungen" grossen Wert auf einen guten Antennen-Wirkungsgrad?

Zu kleine oder nicht optimal abgestimmte Antennen erreichen oft einen schlechten Wirkungsgrad von  < 25%. Dabei hat ein guter Wirkungsgrad gleich zwei sehr entscheidende positive Effekte!

  • Die Funkreichweite kann erhöht werden
  • Batterielebensdauer beim Sender erhöhen 

Die abgestrahlte Sendeleistung ist durch verschiedene Normen begrenzt. Will ein Sender für maximale Funkreichweite die maximal erlaubte Sendeleistung abstrahlen, muss der Sender eine bestimmte Leistung der Antenne zuführen. Hat die Antenne einen schlechten Wirkungsgrad, muss die zugeführte Leistung entsprechend erhöht werden um die maximale abgestrahlte Leistung wieder zu erreichen. Diese zusätzlich nötige Sendeleistung kann bei batteriebetriebenen Sendern die Batterielebensdauer entsprechend verringern. 

Jeder Empfänger hat eine technisch begrenzte Empfindlichkeit. Je weniger Signalleistung durch den Wirkungsgrad der Antenne verloren geht, desto mehr Signalleistung wird dem Empfänger zugeführt. Entsprechend kann ein Empfänger mit optimaler Antenne absolut schwächere Funksignale empfangen und somit eindeutig mehr Funkreichweite erreichen.

Um die maximale Funkreichweite und zusätzliche eine möglichst lange Batterielebensdauer zu erreichen, muss der Antennenwirkungsgrad auf das Maximum optimiert werden.


„Mit Antennenoptimierungen haben wir praktisch täglich zu tun. Entsprechend besitzen wir alle nötigen Messgeräte und ein grosses Know-How, um aus den Gegebenheiten den bestmöglichen Antennenwirkungsgrad und somit die bestmögliche Funkreichweite zu erreichen. Gerne unterstützen wir Sie mit unserem Wissen bei ihrem nächsten Funkprojekt.“

 


Ihr Autor

F. Kugler
Verkauf & Entwicklung
Elektroingenieur FH (BSc in Elektrotechnik)

T +41 41 494 07 06

F. Kugler