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Industrielle Automation 2/2016

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Industrielle Automation 2/2016

INDUSTRIELLE

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION Immer auf Empfang Tipps und Tricks, wie Sie die richtige Antenne für Ihre Drahtlosapplikation finden Aus unserer heutigen Welt sind Drahtlosapplikationen nicht mehr wegzudenken. So kommen Wireless- Technologien im Bereich Sprache, Video und Daten zum Einsatz und müssen dort eine zuverlässige Übertragung gewährleisten. Hierbei spielen Antennen eine entscheidende Rolle, denn sie sind dafür verantwortlich, dass die Leistung nicht leidet. Lesen Sie hier, was Sie als Anwender bei der Antennenauswahl für Ihr Wireless-System beachten sollten. Antennen als elementarer Bestandteil von Wireless-Geräten Im Rahmen des Internet of Things kommen immer mehr Wireless-Geräte zur Auslieferung. Aber auch die Zahl neuer Drahtlostechnologien wächst unaufhaltsam. Dabei geht es längst nicht mehr nur um die klassischen Handy-, Wi-Fi- (802.11n) und Bluetooth-Technologien, sondern beispielsweise auch um LPWAN (Low Power Wide Area Networks), Schmalband- ISM-Frequenzen, LTE-A, LTE unlicensed, 802.11ac und MIMO-Varianten. Diese Trends beherrschen die Industrie. In der Vergangenheit waren die Industriemärkte bei der Akzeptanz neuer Technologien häufig eher konservativ, aber derzeit erleben wir ein erhebliches Wachstum bei der Einführung von neuen Wireless- Technologien. Das hängt mit der steigenden Zuverlässigkeit zusammen, wird aber auch durch die schnellen Einführungszyklen bei den Endnutzern getrieben. Bisher reichten oft einfache Direktverbindungen (PTP – häufig Scada-Applikationen), doch inzwischen sind z. B. im Bereich der intelligenten Stromnetze und Präzisionsanwendungen in der Landwirtschaft Architekturen verbreitet, die eine PTM-Kommunikation (Point-to-Multipoint) erforderlich machen. Bei der Entwicklung von Wireless-Geräten sind daher alle Elemente einer Funkverbindung zu berücksichtigen, einschließlich der Antennen. Diese sind von besonderer Bedeutung, weil sie die elektromagnetische Welle modulieren, wenn das Funksignal das Gerät verlässt und sich ausbreitet. Es spielt keine Rolle, wie gut das Gerät ist – wenn die Antenne zum Senden und Empfangen des Signals nicht optimal auf das Gerät und die Anwendung abgestimmt ist, wird die Leistung leiden und die Zuverlässigkeit der Verbindung ist nicht gewährleistet. 01 Besonders kompakte Antennen eignen sich für Anwendungen, bei denen die Antennen möglichst unsichtbar bleiben sollen 02 Industrielle Lösungen wie zum Beispiel diese Rundstrahl-Antenne müssen auch rauen Umgebungsbedingungen trotzen können 01 02 48 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2016

INDUSTRIELLE KOMMUNIKATION Funkstörungen ausschließen und Leistung optimieren Für die Auswahl und Spezifizierung einer Antenne gibt es diverse elektrische und mechanische Parameter. Das gilt vor allem für industrielle Anwendungen, wo es auf Robustheit und Kompatibilität ankommt. Elektrotechnisch gesehen ist der Antennengewinn nicht am wichtigsten, obwohl diese Ansicht weit verbreitet ist. Grundsätzlich sollten folgende Auswahlfaktoren an erster Stelle stehen: Die Konsistenz im Antennenrichtdiagramm und den Ports, die Isolierung (bei MIMO-Antennen) und der Reflexionsfaktor. Immer mehr Technologien decken immer breitere Frequenzbereiche ab (beispielsweise LTE: 699 - 960 MHz und 1 710 MHz - 2,7 GHz). Deshalb sollte das Antennenrichtdiagramm in allen Bereichen möglichst ähnlich sein, um mit einem Gerät ähnliche HF-Ergebnisse erzielen zu können – unabhängig davon, welche Frequenzen benutzt werden. Die Entwicklung und Auswahl von MIMO- Antennen (Kombination mehrerer Sendeund Empfangselemente) erweisen sich als komplizierter. Hier geht es nicht nur um vergleichbare Leistungswerte in verschiedenen Frequenzbändern, sondern auch an jedem Port. Das ist leichter gesagt als getan, da es immer zu Interferenzen zwischen den verschiedenen Elementen kommt. Deshalb spielen sowohl die Konstruktion der Elemente als auch ihre Position in der Antenne eine wichtige Rolle. Die körperliche Trennung der Elemente bedingt die Isolierung zwischen den Ports in einer MIMO-Antenne. Je besser die Elemente gegeneinander isoliert sind, desto konsequenter können Interferenzen ausgeschlossen und die Leistung des angeschlossenen Geräts optimiert werden. Der Reflexionsfaktor – die Energie, die zum Funkgerät zurückgeworfen wird – ist wichtig, weil er etwas über die Effizienz des Systems aussagt und das Gerät durch diesen Effekt beschädigt werden kann. Messungen dieses Wertes sollten so nah wie möglich an den Sendeelementen erfolgen und nicht am Ende eines langen Kabels, weil hier immer etwas von der reflektierten Energie absorbiert wird. Bereit für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen Die mechanischen Eigenschaften einer Antenne sind mindestens so wichtig wie die elektrischen. Vor allem in der Industrie diktiert die jeweilige Applikation häufig selbst die mechanischen Anforderungen. So sollte das Antennengehäuse den mechanischen Spezifikationen und Umweltbedingungen der Anwendung entsprechen (d. h. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, Schutzart und Stoßsicherung). Industrielle Anwendungen sind nicht selten durch raue Umgebungsbedingungen gekennzeichnet, was eigensichere oder sogar explosionsgeschützte Geräte erforderlich macht. Auch die verwendeten Werkstoffe wie Kunststoffe, Fiberglas, Messing oder Aluminium müssen den mechanischen Anforderungen bzw. Umweltbedingungen entsprechen. Natürlich hat das seinen Preis. Doch am Ende macht sich eine qualitativ hochwertige, haltbare und zuverlässige Antennenlösung durch bessere Leistung bezahlt. Eine häufig gestellte Frage im Zusammenhang mit den mechanischen Merkmalen bezieht sich auf die Schutzart und ob Antennen komplett eingekapselt sein sollten oder „belüftet“ sein dürfen. Unverkapselte Antennen (Schutzart meist IPX5 oder darunter) bieten keinen Schutz gegen Eindringen von Wasser, verfügen aber über Ablauföffnungen, sodass keine Auswirkungen auf die Elektrik zu befürchten sind. Demgegenüber lassen verkapselte Antennen (min. IPX7) erst gar kein Wasser eindringen. Doch wenn verkapselte Antennen Konstruktionsmängel aufweisen, kann die Versiegelung leiden und Feuchtigkeit, Wasser und Schnee bleiben im Inneren gefangen. Dies wirkt sich dann auch auf die Elektrik und die Antennenleistung aus. Natürlich spezifiziert der Kunde die erforderliche Schutzart auf Basis der konkreten Anwendung. Trotzdem kann für die meisten industriellen Wireless-Applikationen eine offene Antenne genauso gut geeignet sein wie eine verkapselte Antenne. Was uns in Zukunft erwartet Die Technik wird sich in den nächsten Jahren stetig weiterentwickeln und die Komplexität sowie Interoperabilität der Netzwerke werden sich auf einem hohen Niveau bewegen. Performance-kritische Applikationen werden weiterhin auf drahtlose Netze angewiesen sein. PCTEL rät Anwendern, die ganze Band breite des Antennenportfolios auszunutzen. Auf dem Markt sind statio näre und mobile Indoor- und Outdoor-Lösungen mit unterschiedlichsten Montageoptionen verfügbar, sodass sich für jede Anwendung die passende Lösung finden lässt. Fotos: Aufmacher Getty Images, 01 + 02 PCTEL www.pctel.com DER NEUE FILTERLÜFTER PLUS BLÄST MEHR LUFT AUS DEM SCHALTSCHRANK. Entdecken Sie die neue Filterlüfter-Serie von STEGO und erleben Sie ein deutliches Plus an Luftleistung! Mehr dazu auf www.filterluefter-plus.de www.stego.de Besuchen Sie uns: HANNOVER MESSE 25. – 29.04.2016 Halle 12, Stand E73