Antennentypen und ihre Funktion

Grundsätzlich kommunizieren Antennen über elektromagnetische Wellen, die durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt werden. Diese elektrischen Ladungen variieren in ihrer Intensität über einen bestimmten Zeitraum, was dazu führt, dass sich die elektromagnetischen Wellen von der eigentlichen Stromquelle weg ausbreiten. Dies wird als Aussendung von elektromagnetischen Wellen bezeichnet, was genau der Arbeit entspricht, die eine klassische Antenne leistet.

Antennen können auch die von ihren „Kollegen“ ausgesandten elektromagnetischen Wellen empfangen und umwandeln. Im Sender wird nämlich ein elektrischer Wechselstrom erzeugt, dessen Intensität über einen bestimmten Zeitraum variiert; diese Variation wird als Frequenz bezeichnet und in „Hertz“ gemessen. Der Strom schwingt entlang eines Leiters und diese Schwingung erzeugt elektromagnetische Wellen. Diese Wellen wandern durch den Äther in alle Richtungen, zusammen mit vielen anderen Wellen, die von unzähligen anderen Quellen ausgesendet werden.

Um die Wellen zu empfangen, erkennen die Antennen sowohl die Frequenz als auch die Wellenlänge (je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge und umgekehrt). So ist jede Antenne in der Lage, die Wellen zu unterscheiden und nur die in der programmierten Frequenz angegebenen Wellen zu empfangen. Sobald die Welle die Empfangsantenne erreicht, induziert sie einen Wechselstrom, der mit der gleichen Frequenz schwingt wie sie selbst. Nach dieser langen Reise ist der Strom logischerweise viel schwächer als an der Quelle, weshalb er von der Empfangsantenne verstärkt wird.

Der Wi-Fi-Standard (Wireless Fidelity) wird unter IEEE 802.11 für das drahtlose lokale Netzwerk WLAN aufgelistet (Wireless Local Network). Es zeichnet sich durch erhöhte Geschwindigkeit, Reichweite und Sicherheit aus. Ferner wird der Wirkungsgrad von WLAN-Antennen durch Wi-Fi-Antennen verbessert. Mit dieser Technologie können Geräte wie Computer, Smartphones, Drucker usw. problemlos miteinander und/oder mit dem Internet verbunden werden. Dazu werden die 5-GHz-ISM-SHF und die 2,4-GHz-UHF-Funkbänder benutzt.

Die Geräte besitzen eine integrierte Wi-Fi-Karte, welche die drahtlose Vernetzung ermöglicht, in dem sie die gesendeten Funksignale auffängt. Die Verbindung zum Netz wird über einen Zugangspunkt in Form eines Routers hergestellt, der üblicherweise als „Hotspot“ bezeichnet wird. Die Reichweite dieses Geräts beträgt in Innenräumen etwa 20 Meter, weshalb häufig ein Wi-Fi-Repeater, auch Range Extender genannt, verwendet wird. Der Wi-Fi-Repeater ist vor allem dann erforderlich, wenn der abzudeckende Bereich recht groß ist oder durch dicke Wände behindert wird (vor allem, wenn die Wände aus Metall bestehen, z. B. Stahlbeton). In einigen Fällen kann es jedoch ausreichen, den am Router verwendeten Funkkanal zu ändern und statt 5 GHz das Frequenzband 2,4 GHz zu wählen (größerer Abdeckungsradius bei niedrigeren Datenübertragungsraten).

Auch wenn es den meisten nicht bekannt ist, hat jeder, der schon einmal eine Karte an einem Lesegerät benutzt hat, um in öffentlichen Verkehrsmitteln zu bezahlen, bereits mit dieser Technologie interagiert. RFID (Radio Frequency Identification) ist eine Technologie, die eine einfache Kommunikation zwischen Geräten über eine gewisse Entfernung hinweg ermöglicht, und es gibt unzählige Anwendungen.

Objekte, die diese Technologie nutzen, wie Fahrkarten für öffentliche Verkehrsmittel, sind mit Chip-Tags ausgestattet, die Daten identifizieren, verfolgen und aufzeichnen können. Auf diesen Chips können Informationen mit speziellen Geräten aus der Ferne gelesen und geschrieben werden. Wie das Akronym schon sagt, erfolgt das Lesen oder Schreiben von Informationen auf diesen Chips mithilfe von Funkwellen. Wenn man wollte, könnte man von ausgeklügelten Strichcodes sprechen. In der Tat handelt es sich um ähnliche Technologien, aber RFID erfordert keine visuelle Identifizierung. Ein großer Vorteil ist, dass die elektromagnetischen Wellen nicht erfordern, dass der Tag auf das Lesegerät ausgerichtet ist, damit die Kommunikation stattfinden kann. Dies erhöht sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Rückverfolgbarkeit von RFID-Systemen im Vergleich zu Strichcodes. Außerdem enthalten RFID-Etiketten passive Chips ohne Batterien und sind daher sehr preiswert. In komplexeren Systemen sind jedoch auch aktive oder semi-passive Chips zu finden.

Die RFID-Technologie basiert auf zwei Elementen: den Etiketten (Tags), welche die Chips enthalten, und den Lesegeräten, die mit Antennen ausgestattet sind, die elektromagnetische Signale mit den Tags austauschen und sie so identifizieren.

Der Tag-Chip enthält einen Datensatz zur eindeutigen Identifizierung. Sobald das mit einem RFID-Tag versehene Objekt in den Lesebereich der Antenne eintritt (zwischen einigen Zentimetern und 20 Metern), sendet es elektromagnetische Signale, die vom Lesegerät erkannt werden. Letzteres besteht aus einer Antenne und einem Transceiver. Im Allgemeinen funktioniert die Technologie auf der Grundlage von drei Frequenzen: niedrig, hoch und sehr hoch; Antenne und Tags müssen auf dieselbe Frequenz abgestimmt sein.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind zahllos. In der Industrie kann sie zur Optimierung der Material- und Werkzeugverwaltung, zur Erkennung von Fehlern und zur Zugangskontrolle für bestimmte Bereiche eingesetzt werden. Zur Sicherheit der Mitarbeitenden kann das Lesegerät in der Nähe von Bereichen mit bestimmten Gefahren oder schweren Maschinen feststellen, ob die richtige Schutzausrüstung getragen wird. Außerdem ermöglicht es eine intelligente Integration mit anderen Systemen. So kann eine Maschine programmiert werden, dass sie eine bestimmte Aktion ausführt, sobald sie X Gegenstände eines bestimmten Typs erhalten hat. Man kann ohne Übertreibung sagen, dass die RFID-Technologie einer der Schlüsselfaktoren für die Entwicklung der Industrie 4.0 ist.

Die Anwendung von RFID ist aber auch außerhalb des industriellen Sektors gewinnbringend. Neben den bereits erwähnten öffentlichen Verkehrsmitteln ist sie auch in Geschäften zu finden, wo sie zur Verwaltung des Warenbestands und zur Beschleunigung der Kassiervorgänge eingesetzt wird; zudem ermöglicht sie die immer häufiger angewandte Praxis des BOPIS (buy online, pick up in store). Bei Sportwettkämpfen können sowohl Profis als auch Amateure die Laufzeiten von Rennen genau aufzeichnen. Beim Versand ermöglicht es eine genaue Verfolgung der Sendung in Echtzeit.

Für diese Art von Antenne müssen zwei Akronyme erklärt werden. Die erste ist SMT (Surface Mount Technology), eine fortschrittliche Technologie, die es ermöglicht, elektronische Bauteile direkt auf die Oberfläche von Leiterplatten zu montieren. Die bisherige Technik erforderte Löcher, in die die elektronischen Bauteile eingesetzt werden konnten, das sogenannte PTH (pin-through-hole).

Bauteile, die mit dieser Technologie montiert werden, nennt man SMDs (surface mounting devices). Zur Verdeutlichung: SMDs sind Bauteile auf Leiterplatten, die mit SMT gebaut sind. Aufgrund ihrer geringen Größe werden SMD-Bauteile von einem Roboter montiert, wobei die Bauteile millimetergenau positioniert werden. Nach dem Zusammenbau werden die Bauteile zum Löten auf die Platine gelegt.

Diese Innovationen haben zu einer erheblichen Weiterentwicklung der elektronischen Schaltungen geführt. Ihre geringe Größe und einfache Montage haben zur schnellen Entwicklung und Verbreitung dieser Geräte beigetragen.

SMD-Antennen verhalten sich wie eine normale Antenne. Der offensichtlichste Unterschied ist die Miniaturisierung. Allerdings haben sie auch eine begrenzte Reichweite. Aufgrund dieser beiden Eigenschaften sind sie ideal für kleine Geräte, die über Wi-Fi oder Bluetooth-Verbindungen herstellen, wie Mobiltelefone, drahtlose Headsets, Router usw.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Antennen hat unsere Globalisierung möglich gemacht und ist für die Industrie 4.0 grundlegend. Auch in anderen Bereichen wie dem Einzelhandel, dem öffentlichen Verkehr, der Medizin usw. finden Antennen zunehmend Anwendung.

Dieser Leitfaden bietet einen kurzen Überblick über die wichtigsten Antennentypen und ihre Funktionsweise. Informieren Sie sich über alle unsere Antennen, herkömmliche Antennen mit den entsprechenden Halterungen sowie GPS-, GSM- und Telemetrie-Antennen und vieles mehr.