Das Internet der Dinge (IoT) hat in letzter Zeit das Leben und Arbeiten fast aller Menschen beeinflusst. Für manche ist die Beschäftigung mit dem Internet der Dinge so einfach wie die Verwendung einer Smartwatch, um ihre Ess- oder Trainingsgewohnheiten zu verfolgen. Sie können auch die Vorteile des Smart Meters des Energieversorgers nutzen, um Energie zu sparen und die Rechnungen unter Kontrolle zu halten. Diese Engagements unterstreichen die Bedeutung der Wireless- und Antennenauswahl in IoT-Anwendungen.

Im anderen Extremfall ist es möglich geworden, alles, einschließlich Haushaltsgeräte, Beleuchtung, Heizung, Türschlösser und Sicherheitssysteme sowie Solarpaneele, über einen digitalen Heimassistenten zu steuern und zu verwalten.

Außerhalb häuslicher Umgebungen sind industrielle und geschäftliche Anwendungsfälle in der Regel vielfältiger. Diese zielen darauf ab, Gebäudesysteme zu automatisieren, um die Effizienz zu verbessern und den CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Dazu gehört auch das Sammeln großer Datenmengen, um die Prozesssteuerung, Geschäftsplanung, Anlagenverwaltung, Gerätewartung und mehr zu verbessern. Diese Daten helfen bei der Verbesserung des Energie- und Abfallmanagements und sogar bei der Konzeption und Gestaltung neuer Produkte.

Neueste drahtlose Protokolle

Drahtlose Technologien bieten mehrere inhärente Stärken für die Verbindung von IoT-Geräten. Ein wesentlicher Vorteil ist die Flexibilität, die den Einsatz von Geräten an verschiedenen Standorten ermöglicht, ohne durch physische Verkabelung eingeschränkt zu werden. Die Installation neuer Kabel zu Hause, im Büro oder in der Fabrik kann störend sein. Die Auswahl von drahtlosen Netzwerken und Antennen ist häufig kostengünstig, insbesondere bei groß angelegten IoT-Implementierungen, und ermöglicht eine einfache und kostengünstige Skalierbarkeit.

Mobilität ist ein weiterer Vorteil und bietet einen leistungsstarken Faktor für Anwendungen wie Wearables und Asset-Tracking. Darüber hinaus kann die Energieeffizienz drahtloser Technologien bei batteriebetriebenen IoT-Geräten wichtig sein.

Drahtlose Auswahl

Zu den standardisierten drahtlosen Technologien, die häufig in IoT-Anwendungen verwendet werden, gehört NFC, das sich ideal für den Datenaustausch von kurzer Dauer über Entfernungen von einigen Zentimetern eignet. Die in dem von einem NFC-Lesegerät ausgesendeten HF-Feld enthaltene Energie kann ausreichen, um die Empfängerschaltung mit Strom zu versorgen und gespeicherte Daten wie gewünscht abzurufen und zu übertragen.

Die Bluetooth-Konnektivität bietet Mobilität und ermöglicht die flexible Gestaltung von Datenrate, Reichweite und Stromverbrauch, um den Anforderungen einer bestimmten Anwendung gerecht zu werden. Es ermöglicht Punkt-zu-Punkt- und Mesh-Verbindungen und die neuesten Versionen unterstützen auch Peilung und Standorterkennung. Zigbee wurde ursprünglich für Mesh-Netzwerke konzipiert und weist ähnliche Eigenschaften auf.

Benutzer bevorzugen möglicherweise WLAN in Fällen, in denen eine größere Reichweite, höhere Datenraten oder größere Verbindungskapazitäten erforderlich sind. Mehrere Wi-Fi-Generationen bleiben im Einsatz, bis hin zu Wi-Fi 6, das eine theoretische maximale Datenrate von 9.6 Gbit/s hat. Wi-Fi 6 bietet außerdem eine flexible Kanalzuweisung und Techniken zur Reduzierung von Störungen und Wartezeiten bei der Verbindung mit dem Netzwerk. Darüber hinaus kann die Strahlformung die Effizienz der Datenübertragung verbessern und die WPA3-Sicherheit erhöhen.

In IoT-Anwendungen die eine größere Reichweite und größere Mobilität benötigen, gehören zur Auswahl zellular und stromsparend Wide-Area-Network-Technologien (LPWAN) wie LoRa und Sigfox. Mit der Abschaltung älterer Netzwerke werden ältere 2.5G- und 3G-Datenverbindungen durch Standards wie LTE-M und NB-IoT ersetzt, die die neuesten LTE- und 5G-Netzwerke nutzen. Diese sind für die Anforderungen von IoT-Anwendungen optimiert, die typischerweise einen häufigen Austausch kleiner Datenmengen erfordern.

Geräte wie Asset-Tracker können auf Navigationssatellitenkonstellationen (allgemein als globale Navigationssatellitensysteme oder GNSS bezeichnet) basieren. Beispiele hierfür sind GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou. Empfänger mit mehreren Konstellationen können von einer robusteren und robusteren Verfügbarkeit von Standortdaten profitieren.

Einige Receiver bieten Zugriff auf spezielle hochpräzise Dienste, die von Satellitenbetreibern bereitgestellt werden. Ein Tracker kann den Standort mithilfe des eingebetteten GNSS-Subsystems berechnen und diese Informationen über eine drahtlose Verbindung wie LPWAN oder Mobilfunk mit der Host-IoT-Anwendung teilen.

WLAN- und Antennenauswahl

Grundsätzlich eine Antenne Überträgt Signale zwischen dem elektromagnetischen und dem elektrischen Bereich und nutzt dabei die Resonanz bei der HF-Trägerfrequenz. Dies erfordert, dass die effektive Länge der Antenne einem bestimmten Bruchteil der Wellenlänge des Trägersignals entspricht.

Daher ist die Größe wichtig, wenn es um die Auswahl von WLAN und Antenne geht. Die Größe steht in direktem Zusammenhang mit dem Frequenzband, in dem die Antenne arbeitet. Dies hängt von der gewählten Funktechnologie und der damit verbundenen Betriebsfrequenz ab.

Darüber hinaus ist die Antennenverpackung ein kritischer Punkt, der sich auf die Komponentenauswahl auswirkt. IoT-Geräte können strengen Größenbeschränkungen unterliegen. Dies erfordert kleine Antennen bei gleichzeitig hoher Leistung. Eine Abdichtung ist häufig erforderlich, insbesondere bei Geräten wie Fernsensoren und intelligenten Messgeräten, die rauen Bedingungen ausgesetzt sein können und von denen erwartet wird, dass sie über einen längeren Zeitraum in Betrieb bleiben.

Ein Portfolio, das eine Auswahl an PCB-montierten, intern montierten und externen Antennen bietet, die für bestimmte Frequenzbänder und drahtlose Technologien optimiert sind, die häufig in IoT-Anwendungen verwendet werden, kann Designern dabei helfen, den besten Typ für ihre Anwendung auszuwählen. Solche Portfolios bieten verschiedene Typen und Größen, Auswahlmöglichkeiten wie Löt- oder Koaxialverbindungen sowie Teile, die für bestimmte Technologien wie NFC- und GNSS-Antennen optimiert sind.

NFC-Antennen

Mehrere Faktoren beeinflussen die Auswahl von WLAN und Antenne für NFC-Anwendungen. NFC arbeitet mit 13.56 MHz, daher muss die Antenne so ausgelegt sein, dass sie bei dieser spezifischen Frequenz schwingt, um eine optimale Kommunikation zu gewährleisten. Drahtantennen und Rahmenantennen sind üblicherweise als handelsübliche Komponenten erhältlich.

Während die effektive Antennenlänge mit der Betriebsfrequenz zusammenhängt, spielen NFC-Antennen auch eine Rolle bei der Gewinnung von Energie aus dem von Lesegeräten ausgestrahlten HF-Feld, um den eingebetteten Mikrocontroller, den Speicher und zusätzliche Hardware des IoT-Geräts, zu der möglicherweise ein Sicherheits-IC gehört, mit Strom zu versorgen. um die vom Leser angeforderten Daten zu sammeln und zu übermitteln.

Die endgültige Auswahl kann von Variablen wie dem Formfaktor des Geräts und der gewünschten Lesereichweite abhängen. Normalerweise sind kleinere Antennen kompakt, bieten aber kürzere Lesereichweiten, während größere Antennen größere Lesereichweiten bieten. Der verfügbare Platz innerhalb des Geräts oder der Anwendung bestimmt die Antennengröße.

Im Allgemeinen können einige NFC-Antennen empfindlicher auf die Ausrichtung reagieren als andere, was bei der Auswahl eines bestimmten Modells und der Bestimmung seiner optimalen Position im Gerät besondere Sorgfalt erfordern kann. Es kann in die Leiterplatte integriert oder am Gehäuse befestigt sein.

Metallgegenstände, elektrische Störungen und andere Umweltfaktoren können die Antennenleistung beeinträchtigen. Möglicherweise ist eine Abschirmung oder eine entsprechende Platzierung erforderlich. Die richtige Impedanzanpassung zwischen dem NFC-Chip/-Modul und der Antenne ist wichtig, um die Leistungsübertragung zu maximieren und Signalverluste zu minimieren.

Antennen für häufig verwendete Technologien

Für drahtlose Technologien wie Bluetooth und Wi-Fi mit 2.4 GHz sowie Mobilfunk- und LPWAN-Technologien gibt es eine große Auswahl an platinenmontierbaren, internen und externen Antennen. Die Wahl hängt von Faktoren wie dem Formfaktor des Geräts, Größenbeschränkungen und der gewünschten Kommunikationsreichweite ab.

Antennen in Chipgröße sind für Bluetooth- und Wi-Fi 2/3/4-Anwendungen in den 2.4-GHz-Frequenzbändern für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen (bekannt als ISM-Bänder) erhältlich.

Externe Antennen sind in der Regel entweder in Monopol- oder Dipolbauweise ausgeführt. Ein Monopoltyp besteht aus einem einzelnen Draht, der eine Erdungsebene benötigt, um die Funkwellen zu reflektieren und das Strahlungsmuster zu formen. Das Muster ist omnidirektional.

Der Dipoltyp besteht aus zwei leitenden Elementen, die durch eine Lücke getrennt sind. Hierbei handelt es sich häufig um Antennen mit halber Wellenlänge, die normalerweise länger als ein Monopol sind, obwohl der Gewinn normalerweise größer ist und das Strahlungsmuster bidirektional ist. Der Antennengewinn wirkt sich direkt auf die Reichweite und Abdeckung des Geräts aus. Antennen mit höherem Gewinn können eine größere Kommunikationsreichweite bieten.

Viele entscheiden sich für Mobilfunkverbindungen für kleine Geräte wie Tracker, die an beweglichen Gütern wie Autos, Lieferwagen oder Baufahrzeugen montiert sind. In diesen Anwendungen kann eine interne Antenne angebracht sein, um eine weniger aufdringliche Installation zu ermöglichen oder um empfindliche Teile vor Gefahren zu schützen. Andererseits könnte eine größere externe Antenne für ein Gerät wie ein Gateway geeignet sein, das Daten von mehreren IoT-Endpunkten über eine Mobilfunkverbindung in die Cloud leiten soll.

GNSS-Antennen

GNSS-Antennen gibt es in verschiedenen Ausführungen, beispielsweise als Keramik-Patchantennen. Als Typ verfügen sie über eine zirkulare Polarisation, die eine hohe Empfindlichkeit gegenüber den Satellitensignalen gewährleistet. Bei der Entwicklung von Geräten wie Asset-Tracking-Geräten mit Satellitenortung müssen Designer sicherstellen, dass die gewählte Antenne die relevanten Konstellationen unterstützt.

Zusammenfassung

Größe und Verpackung sind entscheidende Faktoren, die bei der Auswahl einer Antenne für eine IoT-Anwendung berücksichtigt werden müssen. Große externe Antennen bieten in der Regel die beste HF-Leistung. Andererseits wird häufig die Innenmontage bevorzugt, um den Umwelteinflüssen standzuhalten und eine einfachere Verwendung und Tragbarkeit zu ermöglichen, während oberflächenmontierte Antennen eine Lösung bieten können, wenn die Größenbeschränkungen extrem sind. Bei der Suche nach der besten Kombination aus elektrischen und physikalischen Eigenschaften ist die Wahl der Freund des Designers.

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• Quelle: https://www.iotforall.com/antenna-design-priorities-in-iot-applications