Drahtlose Kommunikation: Jedes WLAN- oder Mobilfunkgerät braucht eine Antenne

Egal wie teuer ein drahtloses Systems ist, die Performance hängt von der Antenne ab. Craig Mathias erläutert die Grundlagen drahtloser Technologie.

Im zweiten Teil dieser dreiteiligen Artikel-Serie erläutert Analyst Craig Mathias die Wissenschaft hinter moderner drahloser Technologie. Im ersten Teil erklärte er die wesentlichen Grundlagen, in diesem Beitrag widmet sich Mathias einem weiteren Grundbaustein: Antennen.

Die Antenne, sowohl am Sender als auch am Empfänger verankert, ist der wichtigste Bestandteil eines Funksystems. Doch wie kann ein kleines, billiges Stück Metall mehr wert sein als die hochentwickelten Chips innerhalb drahloser Kommunikationssysteme? Um diese Frage mit einer Analogie zu beantworten: Jeder, der ein begeisterter Motorsportfan ist oder gerne Auto fährt weiß, dass Reifen ein kritischer Bestandteil eines Autos sind. Unabhängig davon, wie viel Technik in einem Auto stecken, vom Motor über Unterhaltungs- bis zu Kommunikationssystemen, Reifen sind der einzige Teil, der tatsächlich Kontakt mit dem Medium hat, auf dem das Auto fährt.

Genauso verhält es sich mit Antennen, die der einzige Teil sind, der mit dem Funkmedium in Kontakt kommt - in diesem Fall der Luft. Die Auswahl der richtigen Antenne und ihre optimale Nutzung sind der Schlüssel zum Erfolg jeder drahtlosen Anwendung. Zur Erinnerung: Die grundlegenden Betriebsparameter jedes Funksystems sind in den Frequenz-Vorschriften festgelegt, die in Deutschland von der Bundesnetzagentur definiert werden. Die Entwickler von Funksystemen versuchen ihr bestes, um diese große Anzahl von Variablen auszugleichen, darunter Größe, Gewicht, Stromverbrauch, Datenrate, gewünschte Frequenzbereiche, Kosten und Umwelteigenschaften. Antennen gleichen einen großen Teil dieser Anforderungen aus und helfen dabei, die Leistung und den Wert eines drahtlosen Systems zu optimieren.

Das Design schließt die Performance-Lücke

Bevor ich die verschiedenen Arten von Antennen erläutere, möchte ich noch einmal darauf hinweisen, dass sich Funkwellen nicht linear im Raum ausbreiten. Es ist in der Tat unmöglich zu sagen, ob ein bestimmtes ausgesendetes Funksignal den gewünschten Empfänger erreicht. Der einzige Weg, es sicherzustellen ist, es zu versuchen. Dabei können entsprechende Antennen mögliche Mängel in den meisten Fällen ausgleichen.

Antennen können bi- oder omnidirektional sein. In der Regel nutzen Mobilgeräte omnidirektionale Antennen, so dass sie ein Signal in alle Richtungen senden und empfangen können – also in einem 360 Grad Bogen um die Antenne. Diese Fähigkeit ist wichtig, da ein mobiles Endgerät in der Regel nicht weiß, wo sich das andere Ende der Verbindung befindet. Eine feste Infrastruktur, wie zum Beispiel Mobilfunk-Basisstationen, nutzt dagegen (bidirektionale) Richtantennen, da diese Systeme relativ genau wissen, wo sich die Clients befinden. Richtantennen konzentrieren ihre Energie in eine bestimmte Richtung, was zu einer besseren Reichweite sowie Zuverlässigkeit und einem höheren Durchsatz führt. (Omnidirektionale) Rundstrahlantennen verschwenden demgegenüber Energie bei der Signalübertragung und arbeiten nicht optimal beim Empfang von Funksignalen. Bestimmte Technologien können diese Mängel jedoch ausgleichen.

Rundstrahlantennen lassen sich allerdings auch einsetzen, um die Ergebnisse in bestimmten Anlagen zu verbessern. Zum Beispiel haben viele WLAN Access Points (AP) externe Antennen, die sich in verschiedene Winkel ausrichten lassen. Zwar ist die Optimierung der Leistung häufig mehr Kunst als Wissenschaft, dennoch lassen sich dadurch die Ergebnisse teilweise dramatisch verbessern.

Die Signalleistung optimieren

Antennen lassen sich außerdem auf bestimmte Frequenzen abstimmen und sogar wie ein Verstärker einsetzen - eine Eigenschaft, die auch als Antennengewinn bezeichnet wird. Der Antennenteil zum Senden lässt sich in Größe und Struktur so gestalten, dass er für bestimmte Frequenzbereiche optimiert ist. Hierbei gilt die Faustregel: Je höhere die Frequenz, desto kleiner kann die Antenne sein. Der Antennengewinn lässt sich sogar mit Passivantennen (Antennen, die lediglich ein Stück Metall sind) erreichen. Dies kann letztlich ein wichtiger Teil der Opimierung sein.

Es gibt daneben noch eine weitere clevere Art der Optimierung. Beispielsweise lässt sich die Energie über mehrere Rundstrahlantennen in eine bestimmte Richtung konzentrieren. Diese Technik wird „Beamforming“ (zu deutsch: Strahlformung) genannt und in WLAN-Systemen und Routern immer beliebter. Beamforming ist eine Standardfunktion im 802.11ac-Standard und grundlegend bei der Verbesserung des Durchsatzes bei einer höheren Distanz (wird häufig als Rate-versus-Range-Performance bezeichnet). Viele 802.11ac Access Points werden nicht gekauft, weil sie eine Übertragungsrate von 1.3 Gbps bieten, sondern weil das Signal zuverlässig auch in entfernte Winkel des Bürogebäudes gelangt.

Schließlich lassen sich auch elektronische oder Smart-Antennen einsetzen. Wie angedeutet, gehen diese Antennen über einen schmalen Antennenstreifen weit hinaus. Sie beinhalten eine aktive Schaltung, die die Leistung verbessert. Diese sind zwar etwas teurer und benötigen elektrische Energie, doch die Verbesserung (oder der Gewinn) der Performance kann dramatisch sein.

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