Funkantennen

IoT-Antennen sind spezielle Antennen, die für den Empfang elektromagnetischer Wellen zwischen Geräten in einem IoT-Netzwerk entwickelt wurden. Sie ermöglichen die drahtlose Kommunikation zwischen Geräten in M2M-Anwendungen, Smart Cities und Industrie 4.0.

Die Leistung einer Antenne wird durch Antennengewinn, Datenraten und Reichweite bestimmt. Diese umfasst sowohl das Nahfeld (Fresnel-Gebiet) als auch das Fernfeld (Fraunhofer-Bereich). Sicherheit ist dabei ein wesentlicher Aspekt.

Der Formfaktor und die Polarisation beeinflussen die Effizienz der Antennen. Lineare, gefaltete Dipole und spiralige Antennen sind gängige Bauformen, die je nach Anwendung spezifische Vorteile bieten. Eine kompakte Bauweise ist oft entscheidend für IoT-Geräte.

Es gibt eine Vielzahl von IoT-Antennen, die für unterschiedliche Anwendungen und Anforderungen entwickelt wurden. Sie alle unterstützen die drahtlose Kommunikation in verschiedenen M2M-Umgebungen.

RFID und NFC

RFID-Antennen (Radio Frequency Identification) und NFC-Antennen (Near-Field Communication) werden oft in der Logistik und im Einzelhandel eingesetzt, um den Warenfluss zu überwachen. RFID-Antennen-Hersteller bieten maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Anforderungen an.
Dual-Band- und Multi-Band-Antennen ermöglichen die Nutzung mehrerer Frequenzbänder gleichzeitig. Diese Antennen sind besonders flexibel und finden Anwendung in einer Vielzahl von IoT-Geräten. Zu den RFID-Antennen gehören:

• LF (Low Frequency, 125 kHz – 134 kHz):
  • Spulenantenne: Wird verwendet, um ein starkes magnetisches Nahfeld zu erzeugen, typischerweise für Anwendungen wie Zugangskontrollen und Tieridentifikation.
• HF (High Frequency, 13.56 MHz):
  • Spulenantenne: Auch hier werden Spulen verwendet, die für Nahfeldanwendungen wie kontaktlose Zahlungssysteme und Zugangskontrollen eingesetzt werden.
• UHF (Ultra High Frequency, 860 – 960 MHz):
  • Dipolantenne: Häufig verwendet, um über größere Entfernungen RFID-Tags auszulesen, z.B. in der Logistik.
  • Patchantenne: Wird oft in RFID-Lesegeräten eingesetzt, um eine gerichtete Strahlung zu erzeugen.

Zu den NFC-Antennen gehören:

• Spulenantenne: Da NFC auf HF (13.56 MHz) basiert, werden ähnliche Antennen wie bei HF-RFID verwendet. Spulenantennen sind typisch, da NFC im Nahfeldbereich arbeitet.

UWB

UWB-Antennen (Ultra-Wideband) bieten hochpräzise Positionsbestimmung und eine sichere Kommunikation. Sie werden häufig in sicherheitskritischen Anwendungen verwendet, wo genaue Ortung notwendig ist. Zu den UWB-Antennen gehören:

• Monopolantenne: Wird aufgrund ihrer breiten Frequenzabdeckung und einfachen Struktur verwendet.
• Planar inverted-F antenna (PIFA): Wird häufig in UWB-Anwendungen eingesetzt, da sie eine kompakte Bauweise und gute Breitbandleistung bietet.
• Vivaldi-Antenne: Eine spezielle Breitbandantenne, die auch für UWB-Anwendungen geeignet ist.

Für die Positionsbestimmung wird auch die GPS-Antenne verwendet. GPS-Antennen sind unverzichtbar für präzise Standortbestimmungen. Sie werden in vielen IoT-Geräten eingesetzt, um genaue Positionierungsdaten zu liefern. Mobilfunk-Antennen sorgen für stabile Verbindungen in mobilen Geräten und sind entscheidend für die Kommunikation unterwegs.

BLE

BLE-Antennen (Bluetooth Low Energy) werden hauptsächlich in Geräten verwendet, die drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen ermöglichen. BLE ist eine energieeffiziente Variante des klassischen Bluetooth-Standards, die speziell für Anwendungen entwickelt wurde, bei denen der Energieverbrauch minimiert werden muss. Zu den BLE-Antennen gehören:

• Chipantenne: Diese kompakte Antenne wird oft in BLE-Modulen verwendet, um die Integration in kleine Geräte zu erleichtern.
• PIFA (Planar Inverted-F Antenna): Oft in Smartphones und anderen kompakten Geräten verwendet, da sie eine gute Leistung auf engem Raum bietet.
• Drahtantenne: Eine einfache, kostengünstige Antenne, die in BLE-Peripheriegeräten verwendet werden kann.

LPWAN

Viele Technologien fallen unter die Kategorie LPWAN (Low-Power Wide-Area Network). Dazu gehören zum Beispiel LoRaWAN, NB-IoT, mioty, Weightless, LTE-M und Sigfox. LoRaWAN-Antennen sind ideal für Anwendungen mit großer Reichweite und niedrigen Datenraten. Sie arbeiten in unlizenzierten Frequenzbändern und sind besonders energieeffizient, was sie perfekt für Smart-Meter-Antennen macht. Zu den LPWAN-Antennen gehören:

• Monopolantenne: Aufgrund ihrer Einfachheit und omnidirektionalen Eigenschaften wird sie häufig für LPWAN-Technologien wie LoRa und Sigfox verwendet.
• Dipolantenne: Eine beliebte Wahl für LPWAN-Geräte aufgrund ihrer guten Effizienz und Einfachheit.
• Patchantenne: Verwendet in Situationen, in denen eine gerichtete Strahlung erforderlich ist, z.B. bei stationären Gateways.

5G

5G-Antennen sind wesentliche Komponenten des Mobilfunknetzes der fünften Generation (5G) und dienen einer Vielzahl von Anwendungen, die über die Möglichkeiten der vorherigen Generationen hinausgehen.

• Massive MIMO-Antennen: Für 5G-Basisstationen werden Antennen mit vielen Elementen (Massive MIMO) verwendet, um hohe Datenraten und Kapazitäten zu erreichen.
• Phased-Array-Antennen: Diese ermöglichen die Strahlformung (Beamforming), die für die Ausrichtung von Signalen in 5G-Netzwerken wichtig ist.
• Patchantenne: Oft in mobilen Geräten eingesetzt, um kompakte und effiziente Strahlungseigenschaften zu bieten.
• Millimeterwellen-Antenne: Für 5G-Frequenzen über 24 GHz, wo die Wellenlänge sehr kurz ist, werden spezialisierte Millimeterwellen-Antennen eingesetzt, um die Anforderungen an höhere Frequenzen zu erfüllen.

Die Polarisation einer Antenne beeinflusst maßgeblich ihre Leistung und Effizienz. Es gibt verschiedene Polarisationsarten, die je nach Anwendung und Umgebung gewählt werden.

Lineare Polarisation

Lineare Polarisation ist die häufigste Art und kann weiter in vertikale und horizontale Polarisation unterteilt werden. Bei vertikaler Polarisation schwingen die elektromagnetischen Wellen senkrecht zur Erdoberfläche, was häufig bei Mobilfunk- und Rundfunkanwendungen verwendet wird. Horizontale Polarisation, bei der die Wellen parallel zur Erdoberfläche schwingen, findet Anwendung in Fernsehsendungen und Datenübertragungen.

Zirkulare Polarisation

Zirkulare Polarisation beschreibt eine Rotation der elektromagnetischen Welle in einer spiralförmigen Bahn. Diese kann rechts- oder linksdrehend sein und wird oft in Satellitenkommunikation und GPS-Systemen genutzt, da sie weniger anfällig für Reflexionen und Interferenzen ist.

Elliptische Polarisation

Elliptische Polarisation ist eine Kombination aus linearer und zirkularer Polarisation, wobei die Welle eine elliptische Bahn beschreibt. Diese Art der Polarisation bietet Flexibilität und wird in speziellen Kommunikationssystemen verwendet, die eine robuste Verbindung in komplexen Umgebungen erfordern.
Die Wahl der richtigen Polarisation kann die Leistung einer Antenne erheblich beeinflussen, indem sie die Signalqualität verbessert und Störungen minimiert.

RFID-Antennen arbeiten mit passiven oder aktiven Systemen. Passive RFID-Tags nutzen die Energie eines elektromagnetischen Feldes, das von einem Lesegerät erzeugt wird, um zu kommunizieren. Diese Tags enthalten keine eigene Stromversorgung. Aktive RFID-Tags hingegen haben eine eigene Energiequelle und können größere Distanzen überbrücken. Die RFID-Antenne empfängt die Signale vom RFID-Tag und sendet diese an den Empfänger.

NFC-Antennen sind speziell für die Nahfeldkommunikation konzipiert. Ein NFC-Chip mit Antenne kommuniziert mit einem NFC-Tag, indem er ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Der Durchmesser dieser Antennen beträgt oft etwa 22 mm. Beide arbeiten in einer kurzen Reichweite und benötigen keine eigene Stromversorgung. Der NFC-Tag wird durch das elektromagnetische Feld des Lesegeräts mit Energie versorgt.

Herausforderungen bei RFID- und NFC-Antennen treten besonders in Metallumgebungen und bei Wasser auf, da diese Materialien die Signalübertragung stören können. Standardgrößen und Formen müssen an die spezifischen Anwendungen angepasst werden, um optimale Leistung zu gewährleisten.

NFC-Antennen werden häufig im Nahfeld für kontaktlose Payment-Systeme und Smart Cards eingesetzt. Diese Technologie ermöglicht schnelle und sichere Transaktionen, ideal für den täglichen Gebrauch. Bei der Sicherheitskontrolle auf Flughäfen kommen NFC-Antennen in modernen Zugangskontrollsystemen zum Einsatz, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.

RFID-Antennen bieten vielseitige Anwendungsmöglichkeiten im Fernfeld. Sie werden in Mobilfunk Kommunikation und Satellitenschüsseln eingesetzt, um drahtlose Verbindungen zu optimieren. Intelligente Versorgungsunternehmen nutzen RFID-Antennen für die intelligente Strommessung und die Überwachung von Gas- und Wassersystemen.

In intelligenten Gebäuden und bei digitaler Beschilderung verbessern RFID-Antennen die Effizienz durch präzise Datenübertragung und -verarbeitung. Diese Technologien sind auch in intelligenten Umwelt- und Wassersystemen von großer Bedeutung, um nachhaltige Lösungen zu schaffen.

Im Bereich der Lagerverwaltung und Logistiksysteme optimieren RFID-Antennen den Warenfluss und die Bestandsverwaltung. In der industriellen Automatisierung verbessern sie die Prozesssteuerung und -überwachung. In der Landwirtschaft werden RFID- und NFC-Antennen im landwirtschaftlichen M2M und IoT eingesetzt, um die Effizienz und Produktivität zu steigern.