Der Zusammenhang zwischen Energieversorgung und Antenne: Ein Mysterium?

Energieversorgung und Antenne eines IoT-Devices stehen in einer deutlich engeren Beziehung zueinander, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Befindet sich das Gerät in einem Gebiet mit niedriger Signalstärke, beispielsweise am Rande des Versorgungsbereichs des Netzbetreibers, wird das Modem durch das Mobilfunknetz angewiesen, seine Sendeleistung zu erhöhen, um die Kommunikation aufrecht zu erhalten. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung des Leistungsbedarfs, wodurch die Anforderungen an die Energieversorgung steigen.

Speziell beim Einsatz des 2G-Mobilfunkstandards spielt die exakte Einhaltung der Signalformen, d.h. der Steilheit der Impulsflanken, eine wesentliche Rolle. Mit steigender Sendeleistung wird die Erzeugung des standardkonformen Signals aufgrund der höheren Amplitude immer schwieriger d.h. anspruchsvoller für die Energiequelle. Diese muss somit in der Lage sein, sehr rasch zwischen hohen und niedrigen Strömen umzuschalten.

Anforderungen an den Spannungsregler

Der Entwurf eines Spannungsreglers, der diese Anforderung erfüllt, bringt einige Herausforderungen mit sich. So kann er beispielsweise bei ungünstiger Wahl des Hardware-Designs im Zuge eines Lastwechsels zu schwingen beginnen, d.h. seine Ausgangsspannung ist nicht konstant, sondern schwankt auf und ab. Dabei kann die minimal zulässige Versorgungsspannung des Modems unterschritten werden und dessen Resetschaltung ansprechen, welche das Modem in weiterer Folge in den Initialzustand versetzt. Zudem können durch die Schwingungen des Ausgangssignals Störimpulse generiert und abgestrahlt werden, die andere Geräte in der Umgebung beeinflussen können.

Anforderungen an den Spannungsregler

Bei komplexen IoT-Geräten dient das Modem meist nur der Kommunikation und wird durch einen Hauptkontroller, auf dem die eigentliche Applikation läuft, gesteuert. Die beiden verfügen häufig über unterschiedliche Minimalschwellen für die Spannungsversorgung, wodurch es zu undefinierten Zuständen kommen kann, wenn beispielsweise das Modem aufgrund des Spannungseinbruchs resetiert wird, der Hauptkontroller aber normal weiterarbeitet.

Ein Spannungswandler zur Versorgung eines IoT-Geräts muss zudem an die Art der Energiequelle angepasst sein. Soll das Gerät beispielsweise über das Bordnetz eines KFZ gespeist werden, müssen entsprechende Schutzschaltungen vorgesehen werden, um ein unerwünschtes Verhalten oder eine Beschädigung z.B. infolge des beim Startvorgang entstehenden Bursts zu vermeiden.

Tücken beim Einsatz von Akkus

Eine bestens geeignete Alternative zur Verwendung von Spannungsreglern repräsentiert der Einsatz von Akkus. Diese sind aufgrund ihres sehr geringen Innenwiderstandes ebenfalls in der Lage, hohe Ströme zu liefern, jedoch ohne das Risiko einer schwingenden Ausgangsspannung und der damit verbundenen Probleme wie z.B. unerwünschte Resets.

Tücken beim Einsatz von Akkus

Aber auch hier lauern Tücken. Werden Anschlusskabel mit sehr geringem Querschnitt und/oder großer Länge verwendet, vergrößert sich der Leitungswiderstand. Zusammen mit einem hohen Übergangswiderstand bei unglücklicher Wahl des Anschlusssteckers kann der infolge dessen bei Stromspitzen auftretende Spannungsabfall dafür sorgen, dass die Minimalschwelle für die Spannungsversorgung des Modems unterschritten wird und auch hier die Resetschaltung das Modem in den Initialzustand versetzt.

Dieses Problem verschlimmert sich, wenn die Ladung des Akkus zur Neige geht, da ihre Ausgangsspannung während der Entladung kontinuierlich sinkt, während z.B. bei LiSOCl2-Primärbatterien die Ausgangsspannung bis zur Erschöpfung der Kapazität nahezu konstant ist. Wenngleich sich moderne Akkus auf Basis von Lithium aufgrund der hohen Energiedichte durch geringe Baugröße und hohe Kapazität auszeichnen, können sie ein IoT-Gerät nicht unendlich mit Energie versorgen.

Steigerung der Komplexität bei autarkem Betrieb

Um einen autarken Betrieb zu gewährleisten, können Akkus mit einem Solarfeld kombiniert werden. Bei diesem Szenario erhöht sich jedoch auch die Komplexität. Zusätzlich zur Thematik der parasitären Widerstände ist nun auch das Designen eines Ladereglers erforderlich, der die vorhandene extern bereitgestellte Energie optimal nutzt, ohne den Akku durch häufige Lade- und Entladezyklen zu stark zu belasten.

Steigerung der Komplexität bei autarkem Betrieb

Der Laderegler kann beispielsweise so dimensioniert werden, dass er den Akku immer konstant auf einer Spannung unter der Ladeschlussspannung hält, anstelle ihn bis zur Ladeschlussspannung zu laden und dann abzuschalten. Dadurch reduziert sich zwar die Kapazität, die Lebensdauer des Akkus jedoch verlängert sich hingegen. Bei Entwurf eines Ladereglers gilt es zudem ähnliche Probleme wie beim Design eines Spannungsreglers zu lösen.

Zusätzliche Optionen mit permanenter Versorgung

Alternativ zu einem Solarfeld können Akkus auch mit einer permanenten Versorgung kombiniert werden, wodurch sich eine Reihe von weiteren Anwendungsfällen eröffnet. So kann beispielsweise beim Ausfall der permanenten Versorgung dank des Akkus eine Alarmmeldung abgesetzt werden und/oder das Gerät während der Ausfallzeit seinen Dienst weiter verrichten. Da bei diesem Szenario im Gegensatz zu jenem beim Einsatz eines Solarfelds jederzeit bekannt ist, wie viel Energie zur Verfügung steht, können andere Strategien zur Reduzierung der Lade- und Entladezyklen und der damit verbundenen Schonung des Akkus eingesetzt werden.

Es kann beispielsweise eine Schaltung entworfen werden, welche nur dann auf den Akku umschaltet, wenn die externe Versorgung zusammenbricht. Hierfür bietet sich der Einsatz sogenannter PowerPath Controller bzw. Power Management ICs an, die meist nur eine geringe Anzahl zusätzlicher Bauteile benötigen, um diese Aufgabe zu erfüllen. Die Herausforderung besteht darin, den Ausfall unmittelbar nach dessen Auftreten zu erkennen und rechtzeitig auf den Akku zu wechseln, bevor die Minimalschwelle für die Spannungsversorgung des Modems unterschritten und dadurch ein Reset ausgelöst wird.

Zusätzliche Optionen mit permanenter Versorgung

Eine weitere wichtige Aufgabe der Versorgungsschaltung bei diesem Szenario ist es zu gewährleisten, dass der Akku nach jedem Einsatz vollständig geladen wird, damit beim nächsten Ausfall der externen Versorgung die maximale Kapazität bereitsteht. Zudem muss abhängig von der eingesetzten Akkutechnologie auch noch der Selbstentladung entgegengewirkt werden. Bei Verwendung moderner auf Lithium basierender Akkus ist dies aufgrund deren geringen Selbstentladung von ca. 1% pro Monat jedoch vernachlässigbar.

Selbstverständlich gilt es bei dieser Konstellation auch die bereits beschriebenen Stolpersteine für die Gestaltung des Spannungs-/Ladereglers (z.B. eine schwingende Ausgangsspannung) und jene für die Anbindung des Akkus (z.B. die parasitären Widerstände) zu beachten. Wie aus der vorangegangenen Erläuterung ersichtlich, handelt es sich bei der Gestaltung der Energieversorgung um ein komplexes, breitgefächertes Themengebiet.

Die Auswahl einer geeigneten Antenne

Auch die Auswahl einer geeigneten Antenne und deren optimale Positionierung stellt eine gewisse Herausforderung dar. Eine Antenne ist schließlich viel mehr als nur ein Stückchen Metall. Sie ist maßgeblich für die vom Modem wahrgenommene Signalstärke verantwortlich, welche wiederum, wie eingangs bereits dargestellt, die benötigte Sendeleistung bestimmt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass eine Verbesserung an der Antenne, sei es nun durch Austausch des Typs oder Optimierung der Montagesituation, Probleme mit der Energieversorgung ausgleichen bzw. kaschieren kann.

Die Auswahl einer geeigneten Antenne

Sollte es also beim Einsatz eines IoT-Geräts in Grenzsituationen z.B. am Rande des Versorgungsbereichs des Netzbetreibers oder bei nahezu erschöpftem Akku zu unerwünschtem Verhalten kommen, welches beispielsweise auf Neustarts des Modems zurückzuführen ist, existieren somit zwei Ansatzpunkte für die Verbesserung der Situation:

Einerseits kann die Energieversorgung unter Berücksichtigung der im ersten Teil dieses Artikels beschriebenen Hinweise optimiert werden. Werden die Probleme jedoch erst in einer späten Projektphase oder wenn bereits eine größere Anzahl an Geräten im Einsatz ist erkannt, ist dies möglicherweise nicht mehr so einfach durchführbar. In diesem Fall bietet sich der zweite Ansatzpunkt „Verbesserung an der Antenne“ als Lösungsweg an.

Nach welchen Gesichtspunkten sollte also eine Antenne ausgewählt werden? Das Naheliegendste ist zunächst, dass die Antenne den vollständigen vom Modem unterstützten Frequenzbereich abdeckt und ihre Impedanz auf selbiges abgestimmt sein muss. Für Mobilfunkmodems werden beispielsweise Antennen mit einer Impedanz von 50 Ohm benötigt.

Die geeignete Abstrahlcharakteristik ermitteln

Der nächste Punkt betrifft die Wahl einer geeigneten Abstrahlcharakteristik, welche wiederum mit der Montageposition und dem Einsatzort zusammenhängt. Befindet sich die Antenne im Freien, ist deren Auswahl hinsichtlich der Abstrahlcharakteristik eher unkritisch, innerhalb von Gebäuden hingegen empfiehlt es sich eine Rundstrahlantenne zu verwenden.

Der Einsatz einer Rundstrahlantenne ist in beiden Fällen von Vorteil, da diese den Empfang der Signale möglichst vieler Basisstationen im Umkreis gewährleistet. Generell gilt, dass die Signalqualität unter freiem Himmel deutlich besser ist als innerhalb von Bauwerken. Deshalb ist es ratsam, die Antenne, wenn möglich, nach draußen zu verlegen. Die bei der Auswahl des dafür nötigen Antennenkabels zu berücksichtigenden Punkte werden am Ende dieses Artikels behandelt.

Die geeignete Abstrahlcharakteristik ermitteln

Bei der Verwendung von Stabantennen oder Dipolen gilt es weiters auf deren Polarisation zu achten. Die beim Mobilfunk (2G/3G) eingesetzten Basisstationen senden mit vertikaler Polarisation, d.h. das von der Antenne abgestrahlte elektrische Feld verläuft senkrecht zur Erdoberfläche. Empfangen werden können von ihnen hingegen Signale sowohl mit vertikaler, als auch horizontaler Polarisation.

Wird eine Antenne fest im oder am IoT-Gerät verbaut, muss darauf geachtet werden, dass deren Ausrichtung in der endgültigen Montageposition des Geräts zur Polarisation des zu empfangenden Signals passt. Wird beispielsweise eine Antenne mit vertikaler Polarisation um 90° zur Erdoberfläche rotiert, verschlechtert sich deren Empfangsleistung wesentlich. Eine Lösung dieses Problems bietet der Einsatz von Kuppel- oder Chip-Antennen, die üblicherweise gleichzeitig mit vertikaler und horizontaler Polarisation arbeiten.

Wenngleich der Trend zu immer kleineren Geräten unaufhaltsam scheint, spielt die Größe der Antenne eine wichtige Rolle. So verbessert sich die Empfangsleistung meist mit steigenden physischen Abmessungen deutlich.

Die richtige Positionierung

Auch auf die Positionierung sollte besonderes Augenmerk gelegt werden. Bei der Wahl des Montageortes muss unter anderem darauf geachtet werden, dass die Antenne im laufenden Betrieb nicht überflutet oder von anderen Medien wie z.B. Schlamm bedeckt wird, sowie dass sie möglichst hoch, frei von störenden Objekten platziert wird. Dies ist speziell bei Anwendungen in der Abwasser- und Umwelttechnik von großer Bedeutung.

Die richtige Positionierung der Antenne

Zudem gilt es die Angaben des Herstellers zur Montage akribisch einzuhalten. So erfordern beispielsweise manche Antennentypen (z.B. Monopolantennen) die Installation auf einer geerdeten Metallplatte, andere hingegen müssen freistehend montiert werden.

Relevanz des Verbindungskabels zwischen Antenne und Modem

Genauso wichtig wie die Wahl der Antenne und deren Platzierung ist die Selektion eines geeigneten Verbindungskabels zwischen Modem und Antennen. Hier gilt die Grundregel: je kürzer das Kabel und je größer der Querschnitt, umso niedriger ist dessen Dämpfung und damit der Einfluss des Kabels auf die Empfangsleistung des Systems. Das allseits beliebte RG174 Kabel ist somit aufgrund seines geringen Querschnitts meist nur für kurze Entfernungen geeignet.

Relevanz des Verbindungskabels zwischen Antenne und Modem

Sich dieser Zusammenhänge bewusst zu sein ist essentiell, denn sonst kann beispielsweise bei einer Anwendung in der Abwasserwirtschaft der wohlgemeinte Ansatz, das Kabel aus dem Schacht herauszuführen um die Antenne möglichst hoch zu platzieren, schnell ins Gegenteil umschlagen, wenn aufgrund der Kabeldämpfung kein verwertbares Signal mehr am Modem ankommt. Kann die Kabellänge aus baulichen Gegebenheiten nicht verkürzt werden, ermöglicht der Einsatz sogenannter „Low Loss“-Kabel, deren Dämpfung bei gleichem Querschnitt deutlich geringer als jene von Standardkabeln ist, dennoch eine deutliche Verbesserung.

Ziel dieses Artikels war es einen Überblick über die möglichen Optionen sowohl bei der Gestaltung der Energieversorgung, als auch der Auswahl der Antenne (inkl. Anschlusskabel) zu vermitteln und deren gegenseitige Abhängigkeit aufzuzeigen. Sollten dadurch weitere tiefer gehende Fragen aufgeworfen worden sein, stehen Ihnen die Experten von Microtronics gerne zur Verfügung.

Dieser Artikel erschien erstmals unter dem Titel “Das Verhältnis von Antenne zu Energieversorgung” in der Design & Elektronik 01/2019

Josef

Head of Documention bei Microtronics Engineering GmbH
Josef ist seit Gründung des Unternehmens im Jahr 2006 mit an Bord. Die rasante Entwicklung von M2M und IoT ist für ihn Bestandteil seines täglichen Arbeitsalltags. Von der Firmware-Entwicklung über die Dokumentation bis hin zum Support hat er alle Stationen durchlaufen und kennt Geräte und Produkte bis ins kleinste Detail. Dieses umfangreiche Wissen setzt er nun als Projektmanager ein, um auf die Wünsche der Kunden einzugehen und die optimale Lösung zu finden.
Josef

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