Messkammer für aussagekräftige Tests von Antennen, Sender und Empfänger

Bild: Taoglas, MSC Technologies
2 Bewertungen

Prüfung der Antennenleistung Funktechnik richtig integrieren

23.01.2017

Für reibungslose Funktechnik braucht es fehlerfreie Antennen. Dazu sind Sende- und Empfangsleistung sowie die Antennenabstrahlung in kalibrierten Testumgebungen zu messen.

Mit der zunehmenden Vernetzung moderner IoT-Produkte aller Art kommen immer mehr Ingenieure mit den speziellen Anforderungen einer Implementierung von Funktechnik in Berührung. Da in vielen Fällen die Erfahrung und ein spezielles Training im Umgang mit Funktechnik fehlen, kommen häufig Systeme ohne sachgerechte Funktionsüberprüfungen auf den Markt. Dies kann nicht nur zu Zertifizierungsproblemen, sondern auch zur Ablehnung durch die Endnutzer wegen mangelnder Funktionsfähigkeit führen. Oftmals lassen sich nur durch ein komplettes Re-Design die fundamentalen Probleme beheben.

Die Möglichkeiten, Produkte mit moderner Funktechnik auszustatten, sind vielfältig. Das Messen der wichtigsten Leistungsdaten bleibt jedoch im Wesentlichen dasselbe. Aufgrund von Interferenzen mit anderen Funksystemen und Änderungen der Umgebungseigenschaften, reicht das einfache Messen der Reichweite im Freien nicht aus. Aussagekräftige Tests werden in einer kalibrierten Testumgebung durchgeführt, in der Regel ein reflexionsarmer Raum einer Antennen- und EMV-Messkammer oder ein offener, bereits exakt über alle Frequenzen ausgemessener Raum. So lassen sich alle Fehlerquellen bei der Antennenmessung berücksichtigen.

Die Antenne ist zentraler Bestandteil eines Funksystems, ihre Leistungsfähigkeit wird vor allem durch ihre Konstruktion und physikalische Implementierung bestimmt. Das Endprodukt sollte um den Antennenbereich herum konstruiert werden, ansonsten wird eine speziell angepasste, teure Antenne notwendig. Das Ziel ist, bereits in der frühen Produktplanungsphase die Funktechnik zu implementieren.

Bei kleinen Funkgeräten werden in erster Linie die Ab-
strahlcharakteristik und die Antenneneffizienz gemessen. Gewünscht ist ein optimales Abstrahlverhalten in Richtung des Empfängers. Manchmal ist es nicht vorhersehbar, wie zum Beispiel bei einem Smartphone, das sich in einer Tasche befindet. Bei zahlreichen anderen Produkten ist die Orientierung jedoch bekannt. Damit kann das Abstrahlverhalten in die gewünschte Richtung berücksichtigt werden.

Eine intuitive Möglichkeit, die durchschnittliche Antennenverstärkung zu betrachten, ist die Antenneneffizienz. Eine 100-prozentig effiziente Antenne ist in einem kompakten Gerät praktisch unmöglich umzusetzen. Daher ist bereits eine Antenne mit 50 Prozent Effizienz als sehr gut zu beurteilen, da diese kleiner oder billiger sein wird. Selbst Antennen mit einer Effizienz von 15 Prozent können in vielen Applikationen immer noch akzeptabel sein.

Strahlungsleistung des Senders messen

Die Leistungsfähigkeit des Senders (Transmitter) ist die Kombination aus der in die Antenne eingespeisten Leistung und die Strahlungsleistung der Antenne. Ein Maß dafür, wie viel Leistung das Produkt wirklich abstrahlt, ist die effektive isotrope Strahlungsleistung EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). Das Messverfahren benötigt eine Messkammer, die es erlaubt, das zu messende Gerät während des Tests vollständig zu drehen und zu scannen. EIRP bezieht sich als Einzelpunktmessung auf die Richtung der maximal abgestrahlten Leistung.

Ein vergleichbarer, bei zellularen Systemen angewandter Test ist TRP (Total Radiated Power), bei dem alle Abstrahlungsrichtungen berücksichtigt werden und ein kugelförmiges Messergebnis einen genaueren Aufschluss über die wirkliche Abstrahlleistung liefert. Um sicherzustellen, dass der Antenne genügend Leistung zugeführt wird, sollte immer mit einer Messung der eingespeisten Leistung begonnen werden. Selbst vorgetestete Module können bei der Strahlungsleistung variieren.

Die Leistung des Empfängers

Empfänger bereiten die meisten Probleme bei der Geräteentwicklung. Um sicherzustellen, dass keine Interferenzen durch andere elektrische Komponenten bestehen, wird mit einem leitungsgebundenen Empfindlichkeitstest des Receivers begonnen. Mit diesen Messergebnissen und der gemessenen Effizienz der Antenne ist eine Einschätzung der eingestrahlten Empfindlichkeit möglich. Auch diese Tests sollten in einer kontrollierten Messumgebung zur Konsistenz und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse durchgeführt werden. Beim Messen der Empfindlichkeit des Empfängers oder bei zellularen Produkten stellt sich mit der sogenannten Total-Isotropic-Sensitivity(TIS)-Methode heraus, dass die getroffenen Voraussagen nicht stimmen.

Zum Beispiel wurde leitungsgebunden eine Empfindlichkeit von -109 Dezibel Milliwatt (dBm) gemessen. Mit einer recht guten Antenne, die eine Dämpfung von zirka
-6 Dezibel aufweist, sollte die Empfindlichkeit bei ungefähr
-103 dBm liegen. Stattdessen liegt die Empfindlichkeit bei
-82 dBm. Der Grund dafür sind meist ungewollte Strahlungsemissionen anderer elektrischer Komponenten im Bereich der Funkfrequenz des Empfängers.

Die Strahlungsemissionen lassen sich durch drei Optionen reduzieren. Als erstes durch einen größeren Abstand der Antenne zur Interferenzquelle: Normalerweise werden 0,5 bis 1 m vorausgesetzt, dies schwankt aber mit der Stärke des Interferenzsignals und mit den physikalischen Eigenschaften der Antennenumgebung. Die Nutzung einer externen, über Kabel angebundenen Antenne verringert das Risiko enorm. Zweitens, indem das Funkmodul und die Antenne von anderen elektrischen Komponenten abgeschirmt werden. Und Drittens durch ein geändertes Leiterplatten-Layout, um Emissionen unter das Niveau der Empfindlichkeit des Empfängers einschließlich der Antenne zu verringern. Sind die Störungen und Interferenzen weit genug reduziert worden, entspricht die Empfindlichkeit des Empfängers nahezu den vorher ermittelten Werten.

Einfluss der Umgebung

Ein wichtiges Thema ist auch die empfindliche Reaktion von Funkschaltungen auf Vibrationen und extreme Temperaturbedingungen. Um die Funkleistung unter verschiedenen Umwelteinflüssen zu bestimmen, sollten zusätzliche Messungen unter Einfluss von Vibrationen sowie bei hoher und niedriger Temperatur durchgeführt werden.

Die Leistung von Verstärkern kann abhängig von der Temperatur schwanken und damit den RSSI(Received Signal Strength Indicator)-Wert unter Umständen um 10 dB und mehr beeinflussen. Dies limitiert den spezifizierbaren Temperaturbereich des Produkts. Unter Umständen wird das gesamte Funksystem funktionsunfähig oder die Leistungsübertragungsbilanz beeinträchtigt. Zum Beurteilen der Funktionsfähigkeit ist es erforderlich, die Auswirkungen der Umgebungseinflüsse zu kennen.

Ergänzend steht eine große Auswahl von einfachen Tests zur Überprüfung des Designs zur Verfügung. Setzt der Entwickler moderne Funkmodule etablierter Wireless-Hersteller ein, ist davon auszugehen, dass viele Tests bereits bei der Modulentwicklung durchgeführt wurden. Allerdings muss die Messung der eingesetzten Antennenleistung immer separat betrachtet werden, und dies bereits in einer frühen Phase der Produktentwicklung. Ebenfalls von Bedeutung für die Leistungsfähigkeit eines Systems mit integrierter Funktechnik sind die Positionierungen der Chips und Module sowie der Antennen. Auch die Co-Location-Thematik bei Integration verschiedener Funktechniken spielt eine zunehmend wichtige Rolle.

Unterstützung durch Experten

Um die Entwicklung von Funkprodukten zu optimieren und Funkprodukte zur Marktreife zu führen, können Spezialisten zu Rate gezogen werden. Der Lösungsanbieter für IoT-fähige Produkte MSC Technologies implementiert Funkmodule und Antennen in Systeme und arbeitet dabei mit dem Unternehme Taoglas zusammen. Der Experte für Standard- und kundenspezifischen Antennen verfügt über Laboratorien in Irland, Taiwan und USA mit reflexionsarmen Antennenmesskammern und ist in der Lage, Antennen, Sender und Empfänger zu testen.

Bildergalerie

  • Unterschiedliche kundenspezifische Antennen-Designs für bessere Funkprodukte

    Bild: MSC Technologies

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel