Verbesserte IoT-Anwendungen mit vielseitigen, kompakten Antennen

Die Wahl der richtigen Antenne kann für den Erfolg einer drahtlosen Anwendung für das Internet der Dinge (IoT) entscheidend sein. Die Wahl einer Antenne, die eine hohe Performance und die Flexibilität zur Unterstützung verschiedener Netze bietet, kann die kommerzielle Attraktivität elektronischer Anwendungen erhöhen.

Entwicklungsteams mögen Antennen als passive Komponente betrachten, doch mit der Integration neuer Funktionen zur Nutzung von IoT-Ökosystemen werden sie immer wichtiger für den Erfolg von elektronischen Anwendungen. Insbesondere bei industriellen IoT-Anwendungen (IIoT) können Antennen, die mehrere drahtlose Netzwerke unterstützen, für kritische Redundanz, Ausfallsicherheit und Optimierung der Abdeckung sorgen.

Neben der Unterstützung von Wi-Fi-Anwendungen besteht ein wachsender Bedarf an Mobilfunkantennen, die die entscheidenden Funktionen für den Erfolg des IoT bieten. Spektrale Effizienz ist eine wesentliche Voraussetzung, um den durch die Zunahme des drahtlosen Datenverkehrs verursachten Störungen entgegenzuwirken. Eine weitere wichtige Anforderung ist die Energieeffizienz zur Verlängerung der Batterielebensdauer. Viele IoT-Anwendungen müssen in rauen Umgebungen betrieben werden, wie z. B. Ladestationen im Freien, wo robuste Antennen benötigt werden, die extremen Wetterbedingungen oder Vandalismus standhalten.

Hocheffiziente Antennen sind erforderlich, um sicherzustellen, dass die Signalleistung durch Baumaterialien wie Beton oder Metall nicht signifikant beeinträchtigt wird. Eine saubere, störungsfreie Übertragung wird immer wichtiger, um Störungen und Signalrauschen zu vermeiden, da drahtlose Dienste um den Zugang konkurrieren. Die wachsende Nachfrage nach industriellen 5G-Anwendungen wird die Entwickler dazu anspornen, Mikrozellen und kleine Zellen einzubauen, um die Unfähigkeit von 5G, Fenster und Wände zu durchdringen, zu überwinden.

Verschiedene Netze sind in bestimmten Bereichen besonders leistungsfähig, so dass mit effizienteren Antennen eine breitere Abdeckung erreicht werden kann, sei es in Innenräumen oder im Freien. Genauso wichtig ist, dass Anwendungen mit der Anpassungsfähigkeit, die die Unterstützung mehrerer Netzwerke bietet, zukunftssicher gemacht werden können.

Die Unterstützung mehrerer Netze ermöglicht es, einen Antennentyp zu standardisieren, um eine Anbindung in unterschiedlichen Umgebungen bereitzustellen, anstatt die Komplexität eines Bestands an mehreren Antennen zu verwalten. Es ermöglicht auch die Kombination verschiedener Vernetzungsarten, um die Netzwerklast auszugleichen und den Datenverkehr über mehrere Pfade zu verteilen, um Überlastungen zu vermeiden und die Leistung zu optimieren, indem die beste Netzwerkoption für eine bestimmte Aufgabe ausgewählt wird. Die Kunden können sich je nach Datenbedarf für das kostengünstigste Netz entscheiden und auf Mobilfunkdaten verzichten, wenn Wi-Fi ausreicht.

Erfüllung der Anforderungen in schwierigen Umgebungen

Drahtlose Vernetzung ist in einer Vielzahl von Umgebungen, die Entwicklungsteams vor zahlreiche Herausforderungen stellen, oft geschäftskritisch.

Intelligente Fabriken zum Beispiel erfordern eine zuverlässige Kommunikation zwischen Fabrikanlagen, Sensoren und zentralen Managementsystemen, oft in rauen Industrieumgebungen. In großen Lagern, in denen Wi-Fi- und Mobilfunknetze nebeneinander bestehen, können Multi-Netz-Antennen eine nahtlose Vernetzung für die Bestandsverfolgung und das Logistikmanagement gewährleisten.

Leistungsstarke Antennen ermöglichen den Einsatz von Sensoren an abgelegenen Orten, um Daten von Wetterstationen und Luftqualitätsmonitoren zu sammeln, Bestände zu verfolgen oder intelligente Gebäudeanwendungen zu implementieren. In der Landwirtschaft können sie wichtige Informationen über die Bodenfeuchtigkeit, die Gesundheit der Pflanzen und den Betrieb der Bewässerungssysteme liefern.

Weitere neue Anwendungen sind Ladestationen für Elektrofahrzeuge, die bei jedem Wetter mit Backend-Systemen kommunizieren müssen, digitale Beschilderungen, die Anzeigen und Durchsagen in Echtzeit bereitstellen, sichere Speicherlösungen, die eine Echtzeitüberwachung und Zugangskontrolle erfordern, sowie mobile Ticketing- und Fahrgastinformationssysteme.

Jede IoT-Anwendung hat ihre eigenen Anforderungen, und die Entwicklungsteams müssen sich an die spezifischen Anwendungsfälle sowie die Umgebungs- und Kommunikationsanforderungen anpassen. IoT-Geräte arbeiten in verschiedenen Frequenzbändern, was sich auf die Leistung auswirken kann. Außerdem kann der begrenzte Platz für Geräte die Integration von Antennen erschweren, ohne andere Komponenten zu beeinträchtigen.

Zu den Faktoren, die bei der Auswahl der richtigen Antenne für eine IoT-Anwendung zu berücksichtigen sind, gehören Performance, Größe, Kosten und Kompatibilität. Dies könnte die Entwicklungsteams leicht dazu veranlassen, verschiedene Antennen zu integrieren, um den Anforderungen gerecht zu werden, was zu komplexen Support- und Lieferkettenproblemen führt.

Mehrere Netzwerkprotokolle

LPWAN-Protokolle (Low-Power-Wide-Area-Network) wie NB-IoT (Narrow Band IoT) unterstützen niedrige Datenraten und erfordern einen geringen Stromverbrauch, eine hohe Verstärkung und eine hohe Effizienz, um eine stabile Verbindung über große Entfernungen zu gewährleisten. Anwendungen erfordern in der Regel Rundstrahlantennen mit einem breiten Strahlungsdiagramm, das große Bereiche abdeckt.

Wi-Fi-Protokolle mit geringer Reichweite unterstützen dagegen hohe Datenraten, erfordern aber nur eine geringe Verstärkung und eine hohe Effizienz, um Strom zu sparen und Interferenzen mit anderen Geräten zu vermeiden. Die Antennen sollten ein enges Strahlungsmuster aufweisen, um das Signal zu bündeln.

Das IoT-Mobilfunkprotokoll LTE CAT-1 bietet moderate Datenraten und Mobilfunkvernetzung mit moderater Reichweite für IoT-Anwendungen. Die Empfangsbandbreite reicht von 1,4 MHz bis 20 MHz, und das Protokoll unterstützt Spitzen-Downlink-Raten bis zu 10 Mbit/s und Spitzen-Uplink-Raten bis zu 5 Mbit/s. Anwendungen können die Vorteile von Vollduplex und geringem Energiebedarf nutzen.

LTE CAT-M1 strebt ein Gleichgewicht zwischen der Datenrate und der Energieeffizienz an. Es erfordert einen sehr geringen Stromverbrauch mit Antennen, die eine Bandbreite von 1,4 MHz und Spitzenraten von 1 Mbit/s im Downlink und Uplink unterstützen. Die Anwendungen können die Vorteile der Voll- oder Halbduplexfähigkeit nutzen.

Das CAT-4-LTE-Protokoll ermöglicht deutlich höhere Datenraten und geringere Latenzzeiten für anspruchsvollere IoT-Anwendungen, einschließlich Echtzeitanwendungen. Das Protokoll bietet Vollduplex mit Downlink-Raten bis zu 150 Mbit/s und Uplink bis zu 50 Mbit/s.

Vielseitige Antennen

TE Connectivity (TE) bietet die VersAnte-Familie von IoT-Antennen mit mehreren Ports in einem kompakten Formfaktor an, die Kombinationen von 4G/5G-Mobilfunk-, Wi-Fi- und GNSS-Abdeckung (Global Navigation Satellite System) liefern können. Durch die Möglichkeit, verschiedene Kommunikationsprotokolle in eine einzige Antenne zu integrieren, können Entwürfe vereinfacht werden.

Im Gegensatz zu anderen Antennen, die für eine optimale Leistung eine bestimmte Erdungsfläche benötigen, sind diese Antennen unabhängig von der Erdungsfläche und können sowohl auf metallischen als auch auf nicht-metallischen Oberflächen montiert werden, so dass sie an Orten platziert werden können, die den Signalempfang optimieren. Die Radome (Antennengehäuse) können mit handelsüblichen, nichtmetallischen Sprühfarben lackiert werden.

Die VersAnte-Antennen von TE bieten eine 360°-Rundumabdeckung und reduzieren so die Notwendigkeit von erneuten Übertragungen aufgrund schwacher Signale, die zu einem höheren Stromverbrauch führen können. Sie sorgen für ein Gleichgewicht zwischen Verstärkung und Stromverbrauch und optimieren so die Gesamtleistung.

Diese kompakten Antennen eignen sich für platzbeschränkte Anwendungen, bei denen sie nahtlos in enge Räume passen, wie z. B. kleine IoT-Endpunkte, digitale Displays und EV-Ladestationen. Die Antennen sind so robust, dass sie auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig funktionieren und weniger anfällig für Schäden durch Vandalismus oder Umwelteinflüsse sind.

Die VersAnte L000321-01 (Abbildung 1) ist eine puckförmige Antenne mit 3 Anschlüssen und niedrigem Profil. Sie bietet 4G/5G-Mobilfunk-, Wi-Fi- und GNSS-Abdeckung, um die Anforderungen einer Reihe von Anwendungen zu erfüllen, von IoT-Endpunkten über intelligente Terminals bis hin zu digitalen Beschilderungen. Mit einer Höhe von 26,00 mm (1,024 Zoll) und einem Durchmesser von 90,2 mm (3,55 Zoll) bietet sie eine hohe Performance bei einem sehr kleinen Footprint.

Abbildung 1: Puckförmige VersAnte-Mobilfunkantenne L000321-01. (Bildquelle: TE Connectivity)

TE bietet auch die Kuppelantennen L000322-01 mit 2 Anschlüssen und die L000322-02 mit 3 Anschlüssen (Abbildung 2) an, die jeweils über zwei 4G/5G-Mobilfunkanschlüsse und einen optionalen GNSS-Anschluss verfügen. Jede Variante misst 5,90 x 1,77 x 1,97 Zoll (150 x 45 x 50 mm).

Abbildung 2: Der Formfaktor der VersAnte-Antennen L000322-01 und L000322-02. (Bildquelle: TE Connectivity)

Fazit

Die wachsende Nachfrage nach neuen drahtlosen Anwendungen bietet Möglichkeiten, mehrere Kommunikationstechnologien in Produkte zu integrieren. Die VersAnte-Antennen von TE Connectivity sind vielseitig und robust und unterstützen mehrere Wireless-Technologien in einem kompakten und flachen Design. Durch ihre Fähigkeit, sowohl auf metallischen als auch auf nichtmetallischen Oberflächen zu funktionieren, in Kombination mit der Schutzart IP67 und IP69K, eignen sie sich hervorragend für eine breite Palette von IoT-Anwendungen im Innen- und Außenbereich, die eine zuverlässige und leistungsstarke Vernetzung erfordern.