Mark Patrick, Mouser Electronics
Moderne Fahrzeuge bieten eine fantastische Reihe von Funktionen wie Sicherheit, Komfort oder Infotainment, und viele davon sind auf drahtlose Konnektivität angewiesen. Vorzertifizierte Funkmodule mit Antenne sind sehr beliebt, haben aber für einige Anwendungen keine praktikable Option. In diesem Artikel sprechen wir darüber, welche Optionen verfügbar sind, wenn Ingenieure dem Konstruktionsplan eine Antenne hinzufügen müssen. Als Lesehilfe fügen wir einen Abschnitt über die Grundlagen des Antennendesigns ein, um die Bedeutung einiger Begriffe zu erläutern, die bei der Auswahl eines Modells notwendig sind. Wir werden über Antennen sprechen, die an der Außenseite des Fahrzeugs angebracht sind (z. B. für SAAC-, GPS- oder V2X-Konnektivität) und solche, die in einem UCE- oder Infotainmentsystem für Wi-Fi- und Bluetooth-Konnektivität im Fahrzeug installiert sind.
Konnektivität im modernen Auto
Autoantennen haben sich gegenüber den einfachen Teleskopmodellen der 2er Jahre stark verändert. Damals, vor Infotainmentsystemen, wurde die Antenne nur für Radio verwendet. Heute werden Antennen für viele weitere Dinge verwendet. Das Infotainmentsystem umfasst beispielsweise ein Radio, ein Navigationssystem und drahtlose Konnektivität für Mobiltelefone. Einige Funktionen von Advanced Driving Assistance Systems (SAAC) erfordern auch eine drahtlose Verbindung zu anderen Cloud-Diensten für das Routing und bald auch für erweiterte Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (V2V/C2C) und Fahrzeugfunktionen zur Infrastruktur (V2X/CXNUMXX). Innerhalb des Fahrzeugs selbst wird drahtlose Kommunikation verwendet, um den Passagieren Wi-Fi bereitzustellen und zwischen verschiedenen Funktionen, wie z. B. Toter-Winkel-Anzeigen in den Spiegeln, zu kommunizieren.
Wir leben im Zeitalter des vernetzten Autos, und etwas so Grundlegendes wie die Antenne spielt eine grundlegende Rolle bei der Bereitstellung zuverlässiger und robuster Kommunikation für fahrzeuginterne und externe Dienste.
Um die richtige Antenne auszuwählen, ist es wichtig, dass wir die Anforderungen der Anwendung gut verstehen, und der anfängliche Parameter ist die Betriebsfrequenz. Derzeit verfügt der Autoradiotuner in der Regel nicht über Mittelwelle (530 bis 1700 kHz) oder Langwelle (150 bis 250 kHz); Die beliebteste Option ist sehr hochfrequent (UKW) moduliert (FM, 80 bis 108 MHz). Digitalradio mit höherer Qualität, wie z. B. UK Digital Audio Broadcasting (DAB), verwendet jedoch das 175- bis 240-MHz-Spektrum.
Abgesehen von der Funkübertragung sind die Hauptfrequenzbereiche Wi-Fi und Bluetooth (2,4 GHz), GNSS (1,1 bis 1,6 GHz) und Mobilfunk (700, 850 und 1700-2100 MHz). ). Außerdem fügen 5G-Netze dieser Liste die 6-GHz-Frequenz hinzu. Die meisten V2X/V2V-Anwendungen verwenden 5,9-GHz-zentrierte mobile Kommunikationsmethoden.
Arten von Antennen
Im Allgemeinen können wir über externe und interne Antennen sprechen.
Externe Antennen werden normalerweise auf der Rückseite des Fahrzeugdachs montiert, um elektromagnetische Störungen durch den Motor zu minimieren. Die elektrischen Eigenschaften der Antenne, auf die wir im nächsten Abschnitt eingehen, sind wichtig, aber es ist auch wichtig, die Antenne vor dem Eindringen von Feuchtigkeit, Staub und anderen Verunreinigungen zu schützen. Der Schutzgrad gegen das Eindringen von Elementen wird durch internationale IP-Normen definiert. Die Antenne ist allen Witterungseinflüssen ausgesetzt und muss daher trotz Regen, Frost oder starkem Wind zuverlässig funktionieren. Viele externe Antennen sind aus ästhetischen und ökologischen Gründen in einem haifischflossenförmigen Kunststoffgehäuse eingeschlossen. Die Schale ist aerodynamisch und besteht aus einem Material, das in der gleichen Farbe wie das Fahrzeug lackiert werden kann. Andere externe Antennen haben ein scheibenähnliches Gerät, das normalerweise magnetisch am Fahrgestell des Autos befestigt ist. Viele externe Antennen sind eigentlich mehrere Antennen in einer Box, die jedoch unabhängig voneinander mit den verschiedenen Systemen verbunden sind: GNSS, Mobilfunk/5G und V2X/V2C.
Im Bereich der internen Antennen gibt es etwas mehr Vielfalt, und sie werden normalerweise auf einer Leiterplatte montiert oder auf einer Spur davon aufgezeichnet. Einige interne Antennen sind für die Montage außerhalb des Systems ausgelegt, an dem sie befestigt sind, und verfügen häufig über eine selbstklebende Montageplatte und ein Koaxialkabel für das integrierte System.
Grundprinzipien des Betriebs einer Antenne
Bei der Auswahl einer Antenne für Ihre Anwendung müssen Sie einige wichtige Parameter berücksichtigen. Die Leistungsfähigkeit einer Antenne setzt sich aus verschiedenen Eigenschaften zusammen, die eine möglichst effiziente Übertragung der Hochfrequenzenergie vom Sender der Antenne nach außen gewährleisten. Die Ausgabe des Senders wird über eine Übertragungsleitung, beispielsweise ein Koaxialkabel, an die Antenne gesendet. Ebenso muss die Antenne das Signal auch effektiv aufnehmen und an den Empfänger übertragen. Das Grundkonzept einer Antenne ist das eines Kabels einer bestimmten Länge. Diese Länge hängt von der Frequenz ab, bei der sie arbeiten muss. Die Antenne ist resonant, wenn ihre Länge gleich der Wellenlänge (gemessen in Metern) des empfangenen oder gesendeten Signals ist. Beispielsweise hat eine Frequenz von 2,4 GHz eine Wellenlänge von 12,5 cm.
In den meisten Fällen ist die Wirksamkeit einer Antenne auf ein schmales Frequenzband beschränkt. Antennen werden auf viele Arten hergestellt, und die einfachste ist ein Dipol. Typischerweise werden Dipole gemäß ihrer Betriebswellenlänge beschrieben; das heißt, Vollwellen- oder Halbwellendipol.
Hier eine kurze Erklärung der wichtigsten Parameter, die Ihnen bei der Auswahl einer Antenne und der Interpretation von Datenblättern helfen können:
Rückflussdämpfung: Dieser Begriff bezieht sich auf den Grad der Anpassung der Antenne an den Ausgangsabschnitt des Senders und die Übertragungsleitung. Er wird in dB ausgedrückt und gibt den Teil der Ausgangsleistung an, der aufgrund der Fehlanpassung von der Antenne und der Übertragungsleitung reflektiert wird. Die meisten Antennen haben eine Impedanz von 50 Ohm und müssen daher an die Übertragungsleitung und die Endstufe des Senders angepasst werden. Je höher die Rückflussdämpfung in dB, desto geringer die reflektierte Leistung. Eine perfekte Anpassung würde eine nahezu unendliche Rückflussdämpfung bedeuten. Eine andere Möglichkeit zur Messung der Rückflussdämpfung ist das Stehwellenverhältnis (VSWR), das die Beziehung zwischen der Leistung am Senderausgang und der Menge der reflektierten Leistung angibt. Eine perfekte Anpassung wird als VSWR gleich 1 (oder 1:1) ausgedrückt. Der VSWR- oder Rückflussdämpfungsparameter ist auf dem Datenblatt einer Antenne für eine bestimmte Frequenz oder einen kleinen Bereich von Betriebsfrequenzen zu finden.
Ein VSWR von 2 zeigt eine Rückflussdämpfung von 10 dB an, Parameter, die als idealer Standard für das Design verwendet werden.
Datenblätter enthalten oft Diagramme der Rückflussdämpfungsleistung und VSWR vs. Frequenz. In Bild 1 sehen Sie das VSWR-Diagramm einer PulseLarsen-Antenne mit dem optimalen Betriebsfrequenzbereich von 650 bis 880 MHz für Mobilfunk oder ISM.
Strahlungsdiagramm und Antennengewinn: Bild 2 zeigt die Eigenschaften des Strahlungsmusters einer PulseLarsen ICEFIN-Antenne. Einige Antennen sind konstruktionsbedingt effektiver als andere beim Emittieren von Hochfrequenzenergie in einige Richtungen. Eine Antenne hat einen Gewinn, wenn die in eine bestimmte Richtung abgestrahlte Leistung größer ist als die in die Antenne eingespeiste Leistung. Ein omnidirektionales Strahlungsmuster wird für die meisten praktischen Anwendungen als ideal angesehen, und in einigen Fällen sind ebene Eigenschaften (vertikal/Höhe oder horizontal) wesentlich. Beachten Sie, dass die Antenneneigenschaften für die Empfängerleistung genauso wichtig sind wie für die Senderleistung.
Impedanzanpassung: Wie bereits erwähnt, haben die meisten Antennen eine Impedanz von 50 Ohm. Die Antenne muss der Ausgangsimpedanz des Senders und der Übertragungsleitung entsprechen; Es wird wahrscheinlich ein Koaxialkabel mit der richtigen Impedanz für externe Antennen sein, aber es muss an die Impedanz der Antenne angepasst werden, wenn das Kabel hinzugefügt werden muss. Bei PCB-Antennen kann es erforderlich sein, ein Anpassungsnetzwerk (normalerweise mit Spulen und Kondensatoren) zwischen dem Transceiver-IC und der integrierten oder oberflächenmontierten Antenne zu erstellen. Die Impedanz ändert sich mit der Frequenz. Die Verstärkungsverlust/VSWR-Eigenschaften einer Antenne werden mit einer speziellen Ausrüstung gemessen, die als Vektornetzwerkanalysator (VNA) bezeichnet wird. VNAs werden als eigenständiges Instrument oder als Teil eines High-End-HF-Spektrumanalysators verkauft.
Ein VNA enthält typischerweise viele Testfunktionen mit grafischen Anzeigen, wie z. B. VSWR, Rückflussdämpfung und Impedanz. Die Antennenimpedanz wird üblicherweise als Smith-Diagramm dargestellt (siehe Bild 3).
Kurz gesagt, die Mittellinie (in Rot) des Diagramms ist eine Widerstandsimpedanz; oben wird es induktiv und unten wird es kapazitiv. Die rechte Seite ist ein offener Stromkreis und die linke Seite ist ein Kurzschluss. Die grüne Kurve zeigt die Änderung der Antennenimpedanz als Funktion der Frequenz. Die Position 1.0 auf der roten Linie zeigt die perfekte Anpassung der Antennenimpedanz.
Beispiele für Antennen
Die Taoglas Raptor 3 (Bild 4) ist ein Beispiel für eine extern montierte, IP67-konforme Antenne mit einem Haifischflossengehäuse. Es ist eine gute Wahl für Autos und Nutzfahrzeuge, da es mehrere Antennen in einem Gehäuse vereint: GNSS, 4G/5G-Mobilfunk-MIMO, Dualband-WLAN, aktive AM/FM-Antenne und TETRA (Funkbündelung).
In GNSS-Anwendungen ist die integrierte, intern montierte Taoglas GPDF357-Patchantenne mit allen GPS- und Galileo-Bändern kompatibel und bietet eine hervorragende Rundstrahl- und Verstärkungsfähigkeit. Darüber hinaus ist es ein kompaktes Modell (siehe Bild 5), das sich ideal für verschiedene hochpräzise Positionierungsanwendungen im Bereich der Bürgersicherheit und der intelligenten Landwirtschaft eignet.
Eine weitere Multiband-Antenne ist das 4-in-1-Modell Taoglas MA354. Diese kompakte, flache, IP65-konforme Antenne verfügt über eine integrierte Magnethalterung, sodass sie schnell und ohne Bohren von Löchern am Fahrzeug installiert werden kann. Es enthält fünf interne Antennen für Dualband-WLAN, 4G/5G mit 3G/2G-Kompatibilität und GNSS.
Eine weitere extern montierte Multiband-Antenne mit Schutzart IP67 ist das Modell der PulseLarsen IceFin-Serie (siehe Bild 7). Diese Serie bietet Antennen in einem Frequenzbereich von 698 bis 6000 MHz.
PulseLarsen bietet auch verschiedene Antennenkits mit unterschiedlichen Modellen (integriert, intern und extern) für Prototyping und Entwicklung an. Die Kits sind in drei Versionen erhältlich: Instrumentation, Medical and Scientific (ISM) Kits, LoRa und Internet of Things (IoT) Kits. Das IoT-Antennen-Kit ist ein Beispiel und besteht aus XNUMX verschiedenen Antennen für IoT-Anwendungen; Sie verfügen über mobile Konnektivität, GNSS und Dualband-WLAN. Es gibt verschiedene Arten von Antennen, wie z. B. Keramik, spiralförmig, auf einer Leiterplatte, Stab- oder Messertyp.
Zuverlässige Konnektivität erfordert die richtige Antenne
In diesem Artikel haben wir erklärt, was Sie wissen müssen, um Ihnen bei der Auswahl einer Antenne zu helfen. Wir haben über einige der gebräuchlichsten Antennentypen gesprochen und einige Beispiele gegeben. Um Ihnen das Verständnis der Datenblätter zu erleichtern, haben wir kurz einige der wichtigsten Antennenparameter beschrieben, die Sie kennen sollten, um das beste Modell für Ihre Anwendung auszuwählen.
