Technik
Licht 1 | 2019

Reibungsloser Datenaustausch

Antennen für intelligente Leuchten

Interessanter Weise ist gerade die Beleuchtungsbranche ein anspruchsvoller Kunde für die Entwickler von Antennen. Das britische Unternehmen Antenova hat die Anforderungen der Lichtindustrie genau analysiert und bietet für die drahtlose Kommunikation von Signalen und Steuerbefehlen in verschiedenen Frequenzbändern spezielle, konsequent miniaturisierte Antennen, die mit den bei Leuchten häufig anzutreffenden Metalloberflächen kein Problem haben.

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Funknetzwerke allerorten

Insbesondere im Bereich der Heimautomatisierung gibt es inzwischen viele Lösungen, bei denen sich die Beleuchtung mittels Smartphone oder Tablet über das WLAN oder via Bluetooth steuern lässt. Nutzbar sind diese Funktechnologien auch im größeren Maßstab bei kommerziellen LED-Innenbeleuchtungssystemen. Auch in der Außenbeleuchtung und Straßenbeleuchtung kommt drahtlose Datenkommunikation häufig zum Einsatz. Die Einbindung von Sensoren in Beleuchtungsnetzwerke, beispielsweise zur Erfassung des Umgebungslichts oder der Anwesenheit von Personen, ermöglicht, das Licht bedarfsgerecht zu regeln und zu schalten. Das setzt große Energieeinsparungen frei und bietet mehr Komfort für die Nutzer.

Ungehinderte Datenkommunikation

In der Praxis stellt die Einrichtung drahtloser Beleuchtungsnetzwerke jedoch oft eine technische Herausforderung dar. Unter anderem ist es manchmal schwierig, den ungehinderten Datenaustausch sicherzustellen. Antennen müssen fein justiert werden und können unvorhersehbar auf ihre Lage und die Umgebung reagieren. Als problematisch erweisen sich nicht selten Metallgegenstände und elektrische Stromkreise in der Nähe. Ein weiteres Kriterium sind die Gehäuse der Leuchten, die auch Sender und Empfänger beherbergen. Sie müssen einerseits robust genug sein, um rauen Einsatzbedingungen zu widerstehen, aber zugleich durchlässig genug für die Funkwellen. Um dieses Problem zu umgehen, kamen bisher oft externe Antennen zum Einsatz. Solche Konstruktionen bergen allerdings das Risiko, beschädigt zu werden. Zudem wird aus gestalterischen Gründen gern auf hervorstehende Antennen verzichtet. Integrierte Lösungen gelten in der Regel als das elegantere Design.

Das richtige Netz finden

Werden für die Datenkommunikation Netze Dritter benutzt, beispielsweise Breitband- oder Mobilfunknetze, entstehen Kosten. Gerade bei ständigem Datenverkehr, beispielsweise in der Smart City, sind Lösungen zu niedrigeren Betriebskosten als Mobilfunknetze gefragt. Glücklicherweise gibt es verschiedene neue Kommunikationsoptionen, die allmählich eingeführt werden, wie beispielsweise LP-WAN, NB-IoT und ISM 868–900 MHz. Diese Lösungen werden für Anwendungen, die keine großen Datenmengen benötigen, sehr nützlich sein. Aktuell lässt sich ein spannender Wettbewerb zwischen LP-WAN, LoRaWAN und Weightless P beobachten, die alle das Potenzial bieten, stadtweite Mehrfachanschlüsse zu entwickeln und die Städte intelligenter zu machen. GPS/GNSS mit 1575 bis 1609 Mhz Frequenz werden ebenfalls nützlich sein, da sie die Position einer individuellen Lampe, zum Beispiel in einer Straßenleuchte, mit einer Genauigkeit von ein bis zwei Metern bestimmen können.

Spezielle Anforderungen an Antennen

Als Spezialist für Antennen hat das Unternehmen Antenova bereits für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche entwickelt, zum Beispiel für machine-to-machine-Kommunikation, für tragbare Geräte, für Kraftfahrzeuge oder das Gesundheitswesen. Jedes Einsatzgebiet stellt jeweils spezifische Anforderungen an die Antennen.

Wie in vielen Technikfeldern ist auch in der Antennentechnik in den letzten Jahren ein sehr hohes Innovationstempo zu verzeichnen. Ein wichtiger Trend ist die Miniaturisierung. Die Auswahl für Chip-Antennen zum Einsatz auf einer Platine innerhalb eines Elektronikprodukts ist inzwischen groß. Die kleinste Antenne, die Antenova bisher hergestellt hat, ist eine keramische Antenne mit Abmessungen von nur 0,5 x 0,5 x 1 mm für Bluetooth, WiFi und Zigbee.

Herausforderung Metallgehäuse

Überraschenderweise hat sich gerade die Entwicklung von Antennen für Beleuchtungsanlagen als besonders herausfordernd erwiesen. Der Hauptgrund dafür ist technischer Natur: Beleuchtungskörper werden oft aus Metall hergestellt, was in Bezug auf die Leistung und Zuverlässigkeit einer Antenne ein Problem darstellt. Man rät normalerweise dazu, Antennen möglichst von Metallgegenständen zu separieren, da diese das Strahlungsmuster behindern und sich auf die Rückflussdämpfung auswirken. In manchen Fällen, können sie dazu führen, dass die Antenne sich aus der gewählten Frequenz heraus bewegt.

Speziell für die Beleuchtungsbranche war deshalb eine Antenne gefragt, die auf Metalloberflächen zuverlässig funktioniert. Ausgehend von einer gründlichen Analyse der Anforderungen der Beleuchtungsbranche hat Antenova eine Familie an Antennen in einem völlig neuen Stil entwickelt. Sie nutzt einen technischen Ansatz, der bereits als Patent angemeldet wurde.

Die neue Antennenfamilie heißt »Reflector«. Ohne Verstimmung kann sie auf Metalloberflächen eingesetzt werden, bzw. dort, wo das Produktgehäuse im Wesentlichen aus Metall besteht. Die Antennen setzen sich aus zwei galvanisch getrennten Schichten zusammen. Eine Schicht bildet einen RF-Schirm gegenüber dem Grundmaterial, die zweite strahlt in Gegenrichtung ab. Im Ergebnis kann die Antenne auf einem beliebigen Material positioniert werden.

Die erste dieser Antennen, »Zenon«, ist eine 2,4-GHz-Hochleistungsantenne für Bluetooth, WiFi, ZigBee und ISM.

Das zweite Modell, »Magna«, wurde für die ISM-Frequenzen 863 bis 928 MHz entwickelt. Beide Antennen verfügen mit nur 1,6 mm Höhe über ein äußerst kleines Profil. Sie werden aus hartem FR4-Laminat hergestellt und mit einem Kabel von 1,13 mm Durchmesser und einem IPEX-MHF-Stecker geliefert. Das Kabel kann in zwei Längen bestellt werden, 100 mm oder 150 mm, und wird durch ein Klebekissen befestigt.

Das jüngste Mitglied der »Reflector«-Familie heißt »Robusta« und ist für GNSS-Anwendungen (global navigation satellite system) gedacht, also speziell für Anwendungen in der Smart City geeignet. Sie kann zur genauen Ortsbestimmung und Kommunikation über 1559 bis 1609 MHz genutzt werden und wird mit Sicherheit in vielen Anwendungen wie intelligente Beleuchtung oder Smart Metering eingesetzt werden.

Integration – die letzte Herausforderung

Die drahtlose Datenkommunikation ist mittlerweile so weit verbreitet, dass RF-Komponenten zur Standardausrüstung vieler Geräte gehören. Antenova hat bei der Entwicklung seiner Antennen großes Augenmerk darauf gerichtet, dass sie sich leicht in die verschiedensten Produktdesigns integrieren lassen. Zudem unterstützt das Unternehmen Konstrukteure mit Online-Tools, die beim Layout der Platinen helfen, um von Anfang an eine gute Antennenleistung zu erhalten.

Autor: Colin Newman, CEO der Antenova Ltd., Hatfield (UK), www.antenova.com

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Licht 1 | 2019

Erschienen am 25. Februar 2019