Was ist eine passive Antenne? Vollständiger Leitfaden

Passive Antennen, die einfach und dennoch effizient konstruiert sind, können bei entsprechender Konfiguration Signale empfangen und senden, wobei sie sich ganz auf ihre strukturelle Konstruktion verlassen und keine externe Stromversorgung benötigen. In diesem Artikel werden ihre Designüberlegungen, Betriebsfrequenzbereiche und Vorteile gegenüber aktiven Antennen untersucht. Durch die Erläuterung dieser grundlegenden Konzepte im Zusammenhang mit passiven Antennen soll der Artikel den Benutzern helfen, fundierte Entscheidungen bei der Auswahl passiver Antennen für alltägliche und spezielle Anwendungen zu treffen.

Passive Antennen verstehen

Passive Antennen arbeiten ohne externe Stromquelle, da sie keine integrierten Signalverstärker verwenden. Diese Antennen, die vollständig von ihrem strukturellen Aufbau abhängig sind, sind einfache, aber effiziente Lösungen für die Signalübertragung in einer Vielzahl von Anwendungen, die vom Fernsehempfang bis zur Satellitenkommelekommunikation reichen.

Anders als aktive Antennen Im Gegensatz zu aktiven Bauteilen wie Kristalldioden, Transistoren und Strahldioden nutzen passive Antennen ihre Antennenelemente wie Schleifen und Dipole für eine effektive Übertragung. Wenn ein elektromagnetisches Signal ihre Elemente durchläuft, induziert es einen Wechselstrom, der dann zur weiteren Verarbeitung an ein angeschlossenes Empfangsgerät weitergeleitet wird. Das induzierte Wechselstromsignal entspricht der übertragenen Information, und da die Antenne so konstruiert ist, dass sie in bestimmten Frequenzbereichen in Resonanz schwingt, kann sie nur die vorgesehenen Frequenzen verarbeiten und andere abweisen. Passive Antennen können Signale übertragen, wenn sie an einen Sender angeschlossen sind, indem sie elektrische Signale zur Ausbreitung in elektromagnetische Wellen umwandeln.

Obwohl passive Antennen in schwierigen Umgebungen anfällig für Störungen sein können, minimiert ihr einfaches Design Probleme wie Intermodulation.

Arten von passiven Antennen

Es gibt eine breite Palette passiver Antennen, die jeweils für spezielle Anforderungen an die drahtlose communication ausgelegt sind. Einige der common-Typen sind im Folgenden aufgeführt:

• Panel-Antenne

Diese Antennen zeichnen sich durch ihre flache, rechteckige und paneelartige Form aus. Da diese Antennen einen gerichteten Hochfrequenzsignalstrahl erzeugen, können sie für Anwendungen eingesetzt werden, die eine gezielte Signalverteilung erfordern. Panel-Antennen werden in der Regel verwendet, um Punkt-zu-Punkt- und Mehrpunkt-Verbindungen in Mobilfunk-Basisstationen und Wi-Fi-Netzwerken inmitten einer hohen Benutzerdichte für eine optimale Netzwerkleistung mit reduzierten Störungen herzustellen.

• Yagi-Antenne

Yagi- oder Yagi-Uda-Antennen bestehen im Wesentlichen aus einem angetriebenen Element, einem Reflektor und einer Reihe von Direktoren, die alle senkrecht angeordnet sind und ein langes Element bilden. Diese Konfiguration ermöglicht es Yagi-Antennen, ein stark gerichtetes Strahlungsdiagramm zu erzeugen. Die Richtwirkung bietet einen ausgezeichneten Gewinn in einer Richtung und hält die unerwünschten Störungen auf ein Minimum. Da sich Yagi-Antennen durch ihre Richtwirkung und ihren hohen Gewinn auszeichnen, werden sie bei Fernsehübertragungen in ländlichen Gebieten und bei drahtlosen Fernübertragungen eingesetzt1TP15.

• Sektor-Antenne

Sektorantennen decken einen Winkelsektor ab, der in der Regel zwischen 60 und 180 Grad liegt. Dies ermöglicht es Dienstanbietern, mehrere solcher Antennen miteinander zu kombinieren, um eine 360-Grad-Abdeckung zu erreichen. Diese Antennen zeichnen sich durch eine verbesserte Signalverteilung für bestimmte Regionen aus und werden daher in Mobilfunknetzen, Basisstationen und Wi-Fi-Netzen eingesetzt. Im Vergleich dazu bieten Sektorantennen eine breitere Abstrahlungsbreite als Yagi-Antennen und haben je nach Design einen vergleichbaren oder etwas geringeren Gewinn als Panel-Antennen.

• Dipol-Antenne

Diese Antennen haben eine der einfachsten Konstruktionen, die aus zwei leitenden Elementen besteht, die in der Mitte positioniert sind, wobei die Speiseleitung in einem äquidistanten Mittelpunkt platziert ist. Mit einem torusförmigen Strahlungsdiagramm und mäßigem Gewinn werden diese Antennen typischerweise in FM/AM-Radioanwendungen, Fernsehantennen und in verschiedenen Kommunikationssystemen eingesetzt. Darüber hinaus wird die Dipolantenne häufig als Ausgangspunkt für komplexere Konstruktionen wie gefaltete Dipole und logarithmische Antennen verwendet.

• Monopol-Antenne

Eine Monopolantenne besteht aus einem stabförmigen Leiter, der auf einer leitenden Grundfläche montiert ist, die für die Bildung des gewünschten Strahlungsdiagramms und eine effiziente Signalübertragung entscheidend ist. Daher kann dieser Antennentyp auch als halbe Halbdipolantenne betrachtet werden, die auf einer leitenden Fläche montiert ist. Durch ihr einfaches und kompaktes Design bieten diese Antennen eine gleichmäßige Abdeckung in allen horizontalen Richtungen. Dies macht sie zu einer guten Wahl für mobile communications, Fahrzeug communication Systeme und Niederfrequenz-Anwendungen.

• PCB-Antenne

Printed Circuit Board (PCB)-Antennen sind direkt in die Leiterplatte integriert. Daher sind diese Antennen eine ideale Wahl für Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt ist. Da keine zusätzlichen Herstellungskosten anfallen, sind PCB-Antennen eine sehr kostengünstige Lösung für verschiedene Anwendungen wie IoT-Geräte, Smartphones, Bluetooth- und WLAN-Router.

Entwurfsüberlegungen zu passiven Antennen

Der Entwurf passiver Antennen umfasst, ähnlich wie der Entwurf aktiver Antennen, viele Aspekte, die sich auf die Leistung und Effizienz der Antenne auswirken. Im Folgenden sind einige wichtige Merkmale aufgeführt, die bei der Entwicklung passiver Antennen zu berücksichtigen sind:

• Art der Anwendung: Stationär vs. Mobil

Die vorgesehene Anwendung spielt beim Antennendesign eine wichtige Rolle. Bei stationären Antennen, wie z. B. Basisstationsantennen, liegt der Schwerpunkt auf Stabilität, Robustheit und hohem Gewinn. Mobile Antennen, wie sie in Autos oder Mobiltelefonen angebracht sind, müssen dagegen leicht und klein sein und ein größeres Strahlungsdiagramm aufweisen, um eine bessere Konnektivität in verschiedenen Richtungen und Situationen zu gewährleisten.

• Innen- vs. Außeneinsatz

Innenraumantennen sind so konzipiert, dass sie ästhetisch ansprechend sind und gleichzeitig das Risiko von Interferenzen auf ein Minimum beschränken. Da sie vor Umwelteinflüssen geschützt sind, benötigen sie keine robusten Materialien. Außenantennen hingegen müssen Umwelteinflüssen wie Wind, Regen und UV-Strahlung standhalten. Daher wird von ihnen erwartet, dass sie mit Schutzgehäusen aus korrosionsbeständigen Materialien ausgestattet sind.

• Anzahl der unterstützten Geräte

Antennen, die für mehrere Geräte ausgelegt sind, müssen mehr Datenverkehr bewältigen und dabei die Signalintegrität wahren. Die Antennen in Wi-Fi-Routern beispielsweise verwenden Technologien wie Multiple Input Multiple Output (MIMO), um mehrere Geräte gleichzeitig zu versorgen. Im Gegensatz dazu sind Antennen für ein einzelnes Gerät, wie z. B. die in Fernbedienungen verwendeten, eher bescheiden ausgelegt.

• Strategien zur Reduzierung von Signalverlusten

Die Minimierung von Signalverlusten ist ein wesentliches Merkmal bei der Entwicklung passiver Antennen. Eine Möglichkeit dazu ist der Einsatz von Richtantennen, die einen höheren Gewinn erzielen, ohne dass eine zusätzliche Verstärkung erforderlich ist. Eine alternative Strategie besteht darin, von herkömmlichen Koaxialkabeln auf Glasfaserkabel umzusteigen. Da Glasfaserkabel in der Lage sind, große Entfernungen mit minimalem Signalverlust zu überbrücken, eignen sich Glasfaserkabel perfekt für Anwendungen, die eine umfangreiche Verkabelung erfordern.

Schlüsselkomponenten bei der Entwicklung passiver Antennen

Die erfolgreiche Funktion von passiven Antennen hängt von mehreren Schlüsselkomponenten ab. Einige der Schlüsselkomponenten bei der Entwicklung passiver Antennen sind die folgenden:

• Strahlendes Element

Das strahlende Element ist das Herzstück des passiven Antennendesigns. Das strahlende Element ist für die Erzeugung und Absorption elektromagnetischer Wellen verantwortlich. Es wird auf die Betriebsfrequenz des Systems abgestimmt und in Bezug auf Abmessungen und Materialien optimiert, um eine maximale Effizienz zu erzielen. Die Form des Strahlerelements, z. B. Dipol, Monopol oder Patch, bestimmt nicht nur das Strahlungsdiagramm der Antenne, sondern auch ihre Polarisation und ihren Gewinn.

• Basisstation

Die Basisstation dient als zentraler Knotenpunkt, der die Antennen mit größeren communication-Frameworks verbindet. Obwohl die Basisstation kein direkter Bestandteil des Antennendesigns ist, kann sie unmerkliche Signalübergänge garantieren und so eine zuverlässige und konsistente Leistung sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen gewährleisten.

• Bodenebene

Masseflächen sind speziell für den vorgesehenen Frequenzbereich und die Anwendung der Antenne ausgelegt. Sie sind für die Verbesserung der Richtwirkung und Effizienz des Antennenstrahlers verantwortlich, indem sie die elektromagnetischen Wellen reflektieren. Bei Monopolantennen vervollständigt die Grundplatte außerdem den Strompfad und verbessert so das Strahlungsdiagramm.

• Zuleitung

Speiseleitungen stellen die Verbindung zwischen Antenne, Sender und Empfänger her und erleichtern die Signalübertragung bei minimalem Signalverlust. Obwohl Koaxialkabel nur als Zuleitungen verwendet werden, werden für kompakte Designs wie PCB-Antennen stattdessen Mikrostreifenleitungen verwendet. Durch eine geeignete Impedanzanpassung zwischen Speiseleitung und Antenne kann die Leistungsreflexion weiter minimiert werden, was eine effiziente Energieübertragung gewährleistet.

Anwendungen von passiven Antennen

Die Einfachheit, Kosteneffizienz und Langlebigkeit, die passiven Antennen zugeschrieben werden, finden in einer Vielzahl von Branchen breite Anwendung. Einige ihrer beliebten Anwendungen sind wie folgt:

• Telekommunikationmmelekommunikation und Rundfunk

In Mobilfunknetzen werden passive Antennengruppen mit Mobilfunktürmen zur Abdeckung großer Gebiete eingesetzt, um eine zuverlässige Signalübertragung und einen zuverlässigen Empfang zu gewährleisten. In ähnlicher Weise werden bei Wi-Fi-Systemen kompakte passive Antennen wie Dipole verwendet, um den drahtlosen Internetzugang in Wohnungen, Büros und öffentlichen Räumen zu ermöglichen. Im Rundfunk werden Yagi-Antennen häufig für den Empfang von terrestrischen Fernsehsignalen eingesetzt, da sie eine hervorragende Verstärkung und Richtwirkung bieten.

• Satellit Commelefonie

Parabolantennen werden commnur in Bodenstationen für die Satellitenkommkommunikation verwendet, um eine hohe Richtwirkung und einen hohen Gewinn zu gewährleisten. Kompakte passive Antennen werden in GPS-Geräte eingebaut, um die Navigation des Nutzers mit genauen Standortdaten zu unterstützen. Auch Wetterüberwachungssatelliten verwenden passive Antennen für die Übertragung meteorologischer Daten an Bodenstationen, um genaue Wettervorhersagen und Klimastudien zu ermöglichen.

• IoT und intelligente Geräte

Das Wachstum des Internets der Dinge (IoT) hat die Nachfrage nach kompakten und effizienten passiven Antennen erheblich gesteigert. Smartwatches, Fitness-Tracker und Smart-Home-Systeme verlassen sich häufig auf PCB- und Monopol-Antennen, um Konnektivität über Bluetooth-, Wi-Fi- oder Zigbee-Protokolle zu ermöglichen. Bei industriellen IoT-Anwendungen werden passive Antennen zur Datenübertragung zwischen Maschinen und zentralen Systemen verwendet, um die Zuverlässigkeit der Leistung zu verbessern und Prozesse zu rationalisieren.

• Automobilanwendungen

Passive Antennen werden in schlüssellosen Zugangssystemen eingesetzt und ermöglichen eine sichere Communication zwischen dem Fahrzeug und dem Schlüsselanhänger. Darüber hinaus werden diese Antennen bei neuen Technologien wie der Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation eingesetzt, um die Interaktion zwischen Fahrzeugen, Infrastruktur und Fußgängern zu erleichtern und so die Verkehrssicherheit und das Verkehrsmanagement zu verbessern.

LF bis UHF: Die Vielseitigkeit passiver Antennen verstehen

Eine passive Antenne verhält sich unterschiedlich und spielt in verschiedenen Frequenzbereichen eine unterschiedliche Rolle. Die Nieder-, Mittel- und Hochfrequenz deckt einen breiten Bereich von Bändern ab, und das Design und die Qualität dieser passiven Antenne sind bandabhängig. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die Eigenschaften der passiven Antenne, die Arbeitsfrequenzbereiche für die NF-, MF-, HF-, VHF-, UHF- und Mikrowellenbänder und die Anwendungen für jedes Band:

• Niederfrequenz (LF) und Mittelfrequenz (MF):

Die NF- und MF-Bänder, die im Bereich von 30 kHz bis 3 MHz arbeiten, sind für ihre großen Wellenlängen bekannt, die den Einsatz großer Antennenstrukturen für eine effektive Leistung erfordern. Diese Frequenzen sind zwar nicht ideal für kompakte Geräte, eignen sich aber hervorragend für die Fernkommunikation, da sie große Entfernungen mit minimalen Verlusten überbrücken können. MF-Antennen werden vor allem in maritimen und aeronautischen Navigationssystemen eingesetzt, wie z. B. in Non-Directional Beacons (NDBs), die bei der Langstreckennavigation über Wasser und schwieriges Gelände helfen. Ihre Fähigkeit, sich mit geringer Dämpfung über die Erdoberfläche auszubreiten, macht sie für sicherheitskritische Anwendungen unentbehrlich, bei denen eine zuverlässige Communication über weite Gebiete hinweg entscheidend ist.

• Hochfrequenz (HF):

Die HF-Bänder, die von 3 MHz bis 30 MHz reichen, sind dafür bekannt, dass sie die Fernkommunikation erleichtern, vor allem durch die Reflexion der Signale an der Ionosphäre. Dank dieser Eigenschaft können sich die Signale weit über die Sichtlinie hinaus ausbreiten und ermöglichen so eine weltweite Kommelefonie. Die HF-Bänder finden breite Anwendung im internationalen Rundfunk, im Amateurfunk und in der militärischen Kommelekommunikation, wo Langstreckenverbindungen ohne Satellitensysteme unerlässlich sind. Aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit, an der Ionosphäre zu reflektieren, eignen sich HF-Antennen wie Dipole oder Yagi-Uda-Arrays für die Ausbreitung von Himmelswellen, was besonders für die Fernkommunikation und Hochfrequenzübertragung von Vorteil ist.

• Sehr hohe Frequenz (VHF) und Ultrahochfrequenz (UHF):

VHF- (30 MHz bis 300 MHz) und UHF-Frequenzen (300 MHz bis 3 GHz) ermöglichen die Sichtlinienkommunikation, da ihre kürzeren Wellenlängen kompaktere Antennenkonstruktionen ermöglichen. In diesen Frequenzbereichen sind die Antennen in der Regel kleiner und effizienter für mobile Anwendungen, einschließlich Handheld-Geräte. VHF wird häufig für FM-Rundfunk, Fernsehübertragungen und Flugverkehrskontrollsysteme verwendet, bei denen Kommransmission im mittleren Bereich und Widerstandsfähigkeit gegen atmosphärische Störungen wichtig sind. UHF-Bänder spielen eine entscheidende Rolle in modernen Kommunikationssystemen wie Fernsehübertragungen, GPS, Mobiltelefonen und Wi-Fi-Netzwerken. UHF-Antennen bieten eine höhere Bandbreite und ermöglichen so schnellere Datenübertragungsraten und zuverlässigere Verbindungen in digitalen Kommelekommunikations- und Mobilfunknetzen.

• Mikrowellenbänder (3 GHz bis 300 GHz):

Mikrowellenfrequenzen erfordern den Einsatz hochgradig gerichteter Antennen wie Parabolschüsseln und Hornantennen, da sie Signale über große Entfernungen mit minimalem Verlust übertragen können. Diese Frequenzen spielen eine wichtige Rolle in Radarsystemen, bei der Satellitenko1TP15 munikation und bei der Datenübertragung mit hoher Kapazität über Mikrowellen-Funkrelais. Mikrowellen sind besonders nützlich in Szenarien, die eine Punkt-zu-Punkt-Ko1TP15Kommunikation erfordern, wie z. B. Satellitensysteme, militärisches Radar und fortschrittliche Teleko1TP15Kommunikation. Die hohe Richtwirkung und die Fähigkeit, große Datenmengen zu übertragen, machen Mikrowellenantennen sowohl für zivile als auch für militärische Kommunikationssysteme unverzichtbar.

Passive Antenne vs. aktive Antenne

Während passive Antennen empfangene Signale einfach an den Empfänger weiterleiten, sind aktive Antennen mit einem eingebauten rauscharmen Verstärker (LNA) ausgestattet, der die Signalstärke erhöht. Die Entscheidung für den einen oder den anderen Typ hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Signalstärke, Kabellänge, Verfügbarkeit von Strom und spezifische Anwendungsanforderungen. Nachstehend finden Sie eine Vergleichstabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen passiven und aktiven Antennen aufzeigt.

Der richtige Antennentyp für Ihre Bedürfnisse

Die Wahl eines geeigneten Antennentyps, aktiv oder passiv, ist eine sehr wichtige Entscheidung, um die optimale Leistung der Anwendung zu gewährleisten. Das Erkennen der Unterschiede zwischen diesen beiden Formen wird helfen, eine fundierte Entscheidung zu treffen.

Passive Antennen sind einfache Geräte, die nur aus einem Element zum Empfang von Signalen ohne zusätzliche Verstärkungsschaltungen bestehen. Sie benötigen keine externe Stromversorgung, da sie nicht mit integrierten Bauteilen wie rauscharmen Verstärkern (LNAs) ausgestattet sind. Passive Antennen werden in der Regel eingesetzt, wenn die Antenne nahe an den Empfänger gebracht werden kann, wo die Signaldämpfung minimiert wird. Die Einfachheit führt oft zu niedrigeren Kosten und geringerem Stromverbrauch, so dass sich passive Antennen für Anwendungen mit kurzen Kabelwegen und Umgebungen mit ausreichender Signalstärke eignen.

Aktive Antennen hingegen verfügen über einen integrierten LNA, der das empfangene Signal verstärkt, bevor es an den Empfänger übertragen wird. Diese Verstärkung kompensiert die Signalverschlechterung, die bei langen Kabelstrecken oder in Umgebungen mit erheblichen Störungen auftreten kann. Aktive Antennen benötigen eine Stromversorgung, die den Verstärker antreibt, und sind komplex und fehleranfällig, aber sie können die Signalqualität unter schwierigen Bedingungen erheblich verbessern. Sie sind besonders nützlich in Situationen, in denen die Antenne in großer Entfernung vom Empfänger platziert werden kann oder in denen eine starke Signaldämpfung auftritt.

Bei der Entscheidung zwischen passiven und aktiven Antennen sollten Kabellänge, Umgebungsgeräusche, Stromverfügbarkeit und Systemkomplexität berücksichtigt werden. Bei Installationen mit langen Kabeln und/oder starken Störungen kann eine aktive Antenne die erforderliche Signalverbesserung liefern und die Leistung auf dem Niveau der Normen halten. Bei Netzen mit geringen Kabellängen und geringen Störungen hingegen können die Vorteile der Einfachheit und Robustheit einer passiven Antenne überwiegen.

Insgesamt muss bei der Auswahl einer Antenne der Kompromiss zwischen der Einfachheit und Erschwinglichkeit passiver Antennen und der Leistung und Komplexität aktiver Antennen berücksichtigt werden, wobei die beiden Ansätze miteinander verglichen werden müssen, um den am besten geeigneten Antennentyp für eine bestimmte Anwendung zu ermitteln. Durch eine sorgfältige Bewertung der Anforderungen Ihrer Anwendung werden Sie in der Lage sein, sich für den richtigen Antennentyp zu entscheiden, der verwendet werden soll.

Schlussfolgerung

Passive Antennen bieten vielseitige Lösungen für eine breite Palette von Anwendungen, was sie zu einem wichtigen Akteur in der modernen drahtlosen communication macht. Obwohl die Signalübertragung ausschließlich von ihrer Struktur abhängt, reichen ihre Anwendungen von der Erleichterung des globalen Rundfunks bis hin zur Ermöglichung kompakter IoT-Geräte. Durch die Anpassung ihres Designs an spezifische Anforderungen und Umgebungen dienen passive Antennen weiterhin als wichtige, anpassungsfähige Lösung für die Weiterentwicklung der drahtlosen Konnektivität.