Sicherheits-, Komfort- und Infotainment-Funktionen benötigen heute meist eine Wireless-Verbindung. Vorzertifizierte Drahtlos-Module, die bereits mit einer Antenne ausgestattet sind, sind nicht immer brauchbar. Dieser Artikel beschreibt, auf was bei der Planung einer Antenne geachtet werden sollte.

Als Hilfestellung für den Leser dient der Abschnitt über die Grundlagen des Antennendesigns. Außerdem werden im Artikel einige Fachbegriffe erklärt, die bei der Auswahl einer Antenne eine Rolle spielen. Der Beitrag geht auf Antennen für die Montage außerhalb des Fahrzeugs ein, zum Beispiel für ADAS, GPS und V2X sowie auf Antennen, die in einem Steuergerät oder Infotainment-System für die WLAN- und Bluetooth-Konnektivität im Fahrzeug installiert sind.

Antennen im Automotive-Bereich haben sich seit den einfachen Teleskopantennen der 1970er Jahre stark verändert. In der damaligen Zeit war das Autoradio der einzige Grund, warum man eine Antenne brauchte – Infotainment-Systeme gab es noch nicht. Heute werden Antennen für wesentlich mehr Funktionen benötigt. Allein das Infotainment-System beinhaltet Radio, Navigationssystem und die drahtlose Verbindung zu Smartphones.

Auch für einige Funktionen moderner Fahrerassistenzsysteme (FAS) ist eine drahtlose Verbindung zu anderen Cloud-basierten Diensten für die Routenführung und in Kürze auch für anspruchsvollere Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (V2V/C2C) und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Funktionen (V2X/C2X) erforderlich. Innerhalb des Fahrzeugs wird die drahtlose Kommunikation genutzt, um den Insassen Wi-Fi zur Verfügung zu stellen und die Kommunikation zwischen verschiedenen Funktionen zu ermöglichen, zum Beispiel die Anzeige des toten Winkels in den Außenspiegeln.

Das Zeitalter des vernetzten Autos hat begonnen, und die einfache Antenne spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung einer zuverlässigen und stabilen drahtlosen Kommunikation sowohl innerhalb des Fahrzeugs als auch mit externen Diensten.

Für die Auswahl einer geeigneten Antenne ist ein gutes Verständnis der Anwendungsanforderungen erforderlich und dabei ist die Betriebsfrequenz der erste zu berücksichtigende Parameter. Heutige Radio-Tuner für Fahrzeuge verfügen nur selten über Optionen für das Mittelwellen- (530 kHz bis 1.700 kHz) oder Langwellenband (150 kHz bis 250 kHz) – am beliebtesten ist das frequenzmodulierte UKW-Radio (80 MHz bis 108 MHz). Mit der Einführung des digitalen Rundfunks in höherer Qualität, wie zum Beispiel Digital Audio Broadcasting (DAB), wird nun auch der Frequenzbereich von 175 bis 240 MHz genutzt.

Neben dem Radio-Rundfunk zählen WLAN und Bluetooth (2,4 GHz), GNSS (1,1 GHz bis 1,6 GHz) und Mobiltelefone (700 MHz, 850 MHz und 1.700 MHz bis 2.100 MHz) zu den wichtigsten Frequenzbereichen. Die 5G-Mobilfunkkommunikation ergänzt diese Liste noch um einen Frequenzbereich von 6 GHz. Die meisten V2X/V2V-Anwendungen nutzen zellulare Kommunikationsmethoden im Bereich von 5,9 GHz.

Antennen lassen sich grob in externe und interne Typen einteilen. Externe Antennen werden in der Regel auf dem Fahrzeugdach im hinteren Bereich montiert, um elektrische Störungen durch den Motor zu minimieren. Neben den elektrischen Eigenschaften der Antenne, die im nächsten Abschnitt behandelt werden, ist der Schutz der Antenne vor dem Eindringen von Feuchtigkeit, Staub und anderen Verunreinigungen entscheidend.

Die internationalen IP-Normen definieren den Schutz vor dem Eindringen von Feuchtigkeit. Die Antenne ist den Witterungseinflüssen ausgesetzt und muss auch bei Nässe, Frost oder starkem Wind zuverlässig funktionieren. Viele Außenantennen sind in einem Kunststoffgehäuse in Form einer Haifischflosse untergebracht, um der Ästhetik des Fahrzeugs und den Umweltfaktoren gerecht zu werden. Das Gehäuse ist stromlinienförmig, und das Material kann in der Farbe des Fahrzeugs lackiert werden. Andere Außenantennen bestehen aus einem Puck, der oft magnetisch an der Fahrzeugkarosserie befestigt wird. Viele externe Antennen vereinen mehrere Antennen in einem einzigen Gehäuse, die jedoch alle separat verkabelt sind, wie beispielsweise GNSS, Mobilfunk/5G, und V2X/V2C.

Bei internen Antennen ist die Vielfalt etwas größer: Sie sind in der Regel entweder auf einer Leiterplatte montiert oder als Leiterbahn geätzt. Einige interne Antennen sind für die Montage außerhalb des angeschlossenen Systems vorgesehen und werden in der Regel mit einem selbstklebenden Montagepad und einem Koaxialkabel zum eingebetteten System geliefert.

Bei der Auswahl einer Antenne für die jeweilige Anwendung gibt es mehrere wichtige Parameter, die berücksichtigt werden müssen. Die Performance einer Antenne wird von mehreren Merkmalen bestimmt, die eine möglichst effiziente Übertragung der Hochfrequenzenergie vom Sender zur Antenne gewährleisten sollen, damit diese in den freien Raum abgestrahlt werden kann. Das Ausgangssignal des Senders wird über eine Übertragungsleitung, zum Beispiel ein Koaxialkabel, an die Antenne gesendet.

Auch die empfangenen Signale müssen von der Antenne effizient aufgenommen und an den Empfänger übertragen werden. Eine Antenne ist in ihrer einfachsten Form ein Stück Draht, dessen Länge von der Frequenz abhängt, bei der sie arbeiten soll. Eine Antenne ist resonant, wenn ihre Länge der Wellenlänge des gesendeten oder empfangenen Signals in Metern entspricht. Zum Beispiel hat eine Frequenz von 2,4 GHz eine Wellenlänge von 12,5 cm.

In den meisten Fällen ist der Wirkungsgrad einer Antenne auf einen engen Frequenzbereich beschränkt. Antennen werden auf viele verschiedene Arten konstruiert, die einfachste ist ein Dipol. Dipole werden in der Regel in Bezug auf ihre Betriebswellenlänge beschrieben, das heißt als Vollwellen- oder Halbwellendipol.

Folgende Erläuterungen zu den wichtigsten Kenngrößen sollen eine Hilfestellung bei der Auswahl sein:

Dieser Begriff gibt an, wie gut die Antenne an den Ausgangsbereich des Senders und die Übertragungsleitung angepasst ist. Die Rückflussdämpfung wird in dB ausgedrückt und gibt an, wie viel vom Ausgang des Senders von der Antenne und der Übertragungsleitung aufgrund von Fehlanpassungen reflektiert wird. Die meisten Antennen haben eine Impedanz von 50 Ohm, so dass sie an die Übertragungsleitung und die Endstufe des Senders angepasst werden müssen. Je höher die Rückflussdämpfung in dB ist, desto geringer ist die reflektierte Leistung.

Eine perfekte Anpassung führt zu einer nahezu unendlichen Rückflussdämpfung. Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Rückflussdämpfung ist das Stehwellenverhältnis (Voltage Standing Wave Ratio, kurz VSWR). Das VSWR gibt das Verhältnis zwischen der Leistung am Senderausgang und der reflektierten Leistung an. Eine perfekte Anpassung wird als VSWR 1 (auch 1:1) ausgedrückt. Der VSWR- oder Rückflussdämpfungsparameter wird auf dem Antennendatenblatt für eine bestimmte Frequenz oder für ein schmales Band von Betriebsfrequenzen angegeben.

Ein VSWR von 2 bedeutet eine Rückflussdämpfung von 10 dB. Diese Messwerte werden als Best-Practice-Benchmark verwendet, die ein Design anstreben sollte.

Datenblätter enthalten in der Regel Diagramme zum VSWR und zur Rückflussdämpfung der Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz. Bild 1 zeigt das VSWR-Diagramm einer PulseLarsen-Antenne mit dem optimalen Betriebsfrequenzbereich von 650 MHz bis 880 MHz für zellulare oder ISM-Kommunikation.

Bild 2 zeigt die Abstrahlcharakteristik einer PulseLarsen ICEFIN-Antenne. Einige Antennen sind so konzipiert, dass sie die HF-Energie in bestimmte Richtungen effektiver abstrahlen als in andere. Man spricht von einem Antennengewinn, wenn die abgestrahlte Leistung in einer bestimmten Richtung größer ist als die Eingangsleistung der Antenne.

Eine omnidirektionale Abstrahlcharakteristik wird für die meisten praktischen Zwecke als ideal angesehen, und die Ebeneneigenschaften (vertikal/höhenmäßig oder horizontal) sind für einige Anwendungen entscheidend. Dabei ist zu beachten, dass die Antenneneigenschaften gleichermaßen für die Leistung des Empfängers wie die des Senders wichtig sind.

Wie bereits erwähnt, haben die meisten Antennen eine Impedanz von 50 Ohm. Die Antenne muss sowohl an die Ausgangsimpedanz des Senders als auch an die Übertragungsleitung angepasst werden. Bei externen Antennen wird dies wahrscheinlich ein Koaxialkabel mit der entsprechenden Impedanz sein, das jedoch mit der Impedanz der Antenne übereinstimmen muss.

Bei PCB-Antennen kann es notwendig sein, ein Anpassungsnetzwerk, in der Regel aus Induktivitäten und Kondensatoren, zu erstellen, das zwischen dem Transceiver-IC und der gedruckten oder oberflächenmontierten Antenne liegt. Die Impedanz ändert sich mit der Frequenz. Die Impedanz- und Rückflussdämpfungs-/VSWR-Eigenschaften einer Antenne werden mit einem speziellen Messgerät gemessen, dem so genannten Vektor-Netzwerkanalysator (VNA). VNAs sind als eigenständige Geräte oder als Bestandteil von High-End-HF-Spektrumanalysatoren erhältlich.

Ein VNA bietet in der Regel viele verschiedene Messfunktionen mit grafischen Anzeigen wie VSWR, Rückflussdämpfung und Impedanz. Die Antennenimpedanz wird meist in Form eines Smith-Diagramms angezeigt (Bild 3).

In Kurzform: Die mittlere Kurve (rot) des Diagramms ist eine ohmsche Impedanz; darüber wird sie induktiv, darunter kapazitiv. Die rechte Seite ist ein offener Stromkreis, die linke Seite ein Kurzschluss. Die grüne Kurve zeigt, wie sich die Impedanz der Antenne mit der Frequenz ändert. Die Position 1,0 auf der roten Kurve zeigt eine perfekte Anpassung der Antennenimpedanz.

Die Taoglas Raptor 3 (Bild 4) ist ein Beispiel für eine extern montierte Haifischflossen-Antenne mit Schutzart IP67. Die Antenne eignet sich für Anwendungen in Automobilen und Nutzfahrzeugen und kombiniert mehrere Antennen in einem Gehäuse mit den Funktionen GNSS, 4G/5G-MIMO, Dualband-Wi-FI, einer aktiven AM/FM-Antenne und TETRA (Bündelfunk).

Für GNSS-Anwendungen unterstützt die intern montierte eingebettete Patch-Antenne Taoglas GPDF357 alle GPS- und Galileo-Bänder und zeichnet sich durch guten Gewinn und Rundstrahlfähigkeit aus. Darüber hinaus eignet sich die kompakte Antenne (Bild 5) für eine Reihe von hochpräzisen Positionierungsanwendungen für die intelligente Landwirtschaft und die öffentliche Sicherheit.

Die extern montierte 4-in-1-Antenne Taoglas MA354 (Bild 6) ist eine weitere Multibandantenne. Diese kompakte Low-Profile-Antenne mit Schutzart IP65 verfügt über eine integrierte Magnethalterung für eine schnelle, bohrungslose Installation am Fahrzeug. Fünf interne Antennen unterstützen Dual-Band-Wi-Fi, 4G/5G mit 3G/2G-Kompatibilität und GNSS.

Eine weitere extern montierte IP67-zertifizierte Multiband-Antenne ist die PulseLarsen IceFin-Baureihe (Bild 7). Diese Baureihe bietet Antennen für einen Frequenzbereich von 698MHz bis 6000MHz.

PulseLarsen bietet auch eine Reihe von Antennen-Kits mit unterschiedlichen eingebetteten, internen und externen Antennen für das Prototyping und Entwicklungszwecke. Die Kits sind in drei Versionen erhältlich: ISM-Antennen-Kit (Instrumentierung, Wissenschaft und Medizin), LoRa-Antennen-Kit und Internet der Dinge (IoT).

Ein Beispiel ist das IoT-Antennenkit, das 26 verschiedene Antennen umfasst, die für IoT-Anwendungen mit Dualband-Wi-Fi-, Mobilfunk- und GNSS-Konnektivität geeignet sind. Zu den Antennentypen zählen Keramik-, Spiral-, PCB-, Stick- und Blade-Varianten.

Mark Patrick ist als Technical Marketing Manager für EMEA bei Mouser Electronics für die Erstellung und Verbreitung von technischen Inhalten in der Region verantwortlich. Bevor er das technische Marketing-Team leitete, war Patrick Teil des EMEA-Lieferanten-Marketing-Teams und spielte eine wichtige Rolle beim Aufbau und der Entwicklung von Beziehungen zu Fertigungspartnern. Vor seiner Tätigkeit bei Mouser arbeitete Patrick acht Jahre lang für Texas Instruments im Anwendungssupport und im technischen Vertrieb. Im Herzen ist er Ingenieur mit einer Leidenschaft für alte Synthesizer und Motorräder. Er schreckt auch nicht davor zurück, Reparaturen an diesen selbst durchzuführen. Patrick hat sein Studium in Elektronikingenieurwesen an der Coventry University absolviert.

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Photorelays with enhanced voltage performance monitor mechanical relays in EV BMS applications

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