Die Antennen umgeben uns von allen Seiten. Sie sind so häufig, dass wir ihre Anwesenheit oft nicht bemerken, und es ist wichtig zu wissen, dass wir dank ihnen miteinander kommunizieren können. Diese unauffälligen Elemente sind einer der wichtigsten Bestandteile moderner Geräte, Autos, Telefone, Computer als auch von FIBARO Smart Home-Geräten. Ohne sie wäre unser Leben mit dem des frühen 20. Jahrhunderts vergleichbar. Wir haben das Thema Antennen im Gespräch mit unserem Experten, Robert Giżycki, Senior Hardware Engineer FIBARO näher untersucht.
Przemysław Kaczorowski: Robert, was sind Antennen und welche Rolle spielen sie in IoT-Geräten, einschließlich FIBARO-Geräten?
Robert Giżycki: Die Antenne besteht normalerweise aus Metall, das eine bestimmte Form und Größe hat. Die physischen Merkmale der Struktur definieren ihre Eigenschaften und ihren Betrieb – einschließlich der Reichweite. Die Antenne ist der letzte Teil des Funksystems, das die an seinen Eingang gelieferte elektrische Energie effektiv in elektromagnetische (EM) Wellen umwandelt, die sich im Raum frei ausbreiten und entfernte Geräte erreichen – um Informationen zu transportieren. Zu Eigenschaften von Antennen gehört, dass sie gleichzeitig in beide Richtungen arbeiten. Der Punkt ist, dass sie sowohl Sender als auch Empfänger der EM-Welle sind. Ein Antennenpaar, das voneinander entfernt ist, ist so, als ob es durch ein „unsichtbares Kabel“ verbunden ist, das Geräte miteinander verbindet, um die Kommunikation sicherzustellen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein normales Kabel normalerweise zwei Geräte verbindet und die Antennen in alle Richtungen strahlen, sodass mehrere Geräte gleichzeitig an verschiedenen Orten angeschlossen werden können. Natürlich gibt es Antennen, die stark gerichtet sind, aber bei IoT-Geräten, einschließlich FIBARO-Geräten, möchten wir hauptsächlich eine gleichmäßige Strahlung in alle Richtungen erzielen. Die Kabelverbindung ist stabil und weist in Abhängigkeit von Zeit oder Orientierungsänderung eine praktisch identische Dämpfung auf. Bei Antennen ist es völlig anders, die Dämpfung zwischen zwei Antennen ist nicht konstant. Dies hängt sehr stark von der gegenseitigen Position der Geräte relativ zueinander, vom Material, auf dem die Geräte montiert wurden, vom Bau des Gebäudes und interessanterweise vom Standort der Personen im Gebäude ab. Nicht ohne Bedeutung ist das Phänomen der Reflexion und Summation der Welle, das sich lokal in einem großen Signalverlust manifestieren kann. Unsere in der FIBARO-Forschungs- und Entwicklungsabteilung durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass die Dämpfungsschwankungen zwischen den Antennen bis zu 20-30 dB betragen können (Unterschiede von 100-1000-fach). In der Praxis bedeutet dies, dass die Reichweite zwischen denselben Geräten in einem Gebäude 30 Meter betragen kann, während sie in einem anderen nur 15 Meter beträgt, und dies alles wird durch verschiedene externe Faktoren verursacht.
PK: Woran müssen wir als Smart-Home-FIBARO-Benutzer denken, um sicherzustellen, dass Geräte nicht vorübergehend an Reichweite verlieren? Worauf muss sich der Installateur bei der Installation achten?
RG: Bei FIBARO versuchen wir, Geräte so zu entwerfen, dass sich der Benutzer keine Sorgen über den Verlust der Reichweite machen muss. In einigen Fällen ist es jedoch gut, sich an bestimmte Regeln zu erinnern. Zum Beispiel: Geräte mit einer externen Antenne funktionieren sehr gut, wenn die Antenne gerade ist und sich vom Gerät abhebt. Je mehr gewickelt und im Kabeldickicht versteckt ist, desto schlechter ist die Reichweite. Denken Sie daran, die Geräte nicht in Metallboxen zu schließen oder nahe an Metalloberflächen zu montieren, da dies die Effizienz der Antenne erheblich verringert.
PK: Wie sieht der Entwurf von Antennen bei FIBARO aus und welche Art von Antennen werden in unseren Geräten verwendet?
RG: Bei FIBARO verfolgen wir einen umfassenden Ansatz für das Design von Radiospuren. Ganz am Anfang versuchen wir, den richtigen Platz für die Antenne zu finden. Der Punkt ist, dass es nicht durch große Metallelemente verdeckt werden sollte, die die Form des Strahlungsmusters negativ beeinflussen können. Es sollte nicht zu nahe am Gehäuse liegen, da es aufgrund der Ungenauigkeit der Gehäusebaugruppe anfälliger für die Ausrichtung ist. Wenn wir viel Platz im Gehäuse haben, verwenden wir Antennen, die direkt auf der Leiterplatte gedruckt sind – sie sind aus wirtschaftlicher und funktionaler Sicht am vorteilhaftesten (ein Beispiel hierfür ist die 433-MHz-Antenne in Home Center 3). Wenn der Raum sehr klein ist, wählen wir eine Lösung basierend auf einer Chipantenne oder einer externen Antenne, wie dies beispielsweise bei FIBARO The Heat Controller der Fall ist. Bei Leiterplattenantennen verwenden wir einen elektromagnetischen Simulator, in dem ich die Antenne so modelliere und modifiziere, dass eine Antennenresonanz bei der gewünschten Betriebsfrequenz erhalten wird. Wir überprüfen den Rest der Parameter an einem fertigen Prototyp in der FIBARO-Forschungs- und Entwicklungsabteilung. Dann versuchen wir, den Wirkungsgrad der Antenne und ihre maximale Verstärkung zu bestimmen und eine Anpassungsschaltung zu entwerfen, die normalerweise aus mehreren Spulen und Kondensatoren besteht. Wenn einer der Parameter nicht zufriedenstellend ist, wird eine andere, verbesserte Version entwickelt. Während des gesamten Prozesses vergessen wir nicht die Impulsspannungsregler, die die Störquelle für die Antenne darstellen (dies sind Stromversorgungssysteme, die höhere Spannung in niedrigere Spannung umwandeln – dies sind die häufigsten Elemente in jedem elektronischen Gerät). Das gesamte Team versucht, sie so anzuordnen, dass die „lautesten“ Pfade in der Steuerschaltung maximal vom Antennenstrahler oder vom Rand der Leiterplatte entfernt sind. Die Monopolantenne ist der beliebteste Typ, der in unseren Geräten verwendet wird.
PK: A propos Design, bitte sagen Sie mir, unter welchen Bedingungen und welche Tests in / an FIBARO-Geräten durchgeführt werden.
RG: Wir stellen sicher, dass das Betriebsband und die Impedanz der Antenne für die nominalen Betriebsbedingungen optimal sind. Wir messen die Effizienz in jedem Produkt und überprüfen seine Antennenstrahlungseigenschaften. Wenn die im ersten Prototyp erhaltenen Parameter für uns nicht akzeptabel sind, entwerfen wir einen anderen. Die Anzahl der Iterationen erreicht manchmal vier oder fünf, sodass der Benutzer das beste Produkt erhält. Wir verwenden einen Vektornetzwerkanalysator, um die Impedanz und den Abstand zwischen Antennen zu messen. Wir untersuchen die Effizienz und Strahlungseigenschaften in einer GTEM-Kammer mit einem automatischen Manipulator. Die Idee der Messungen in der GTEM-Kammer wurde bereits vor einiger Zeit entwickelt. Wir haben es getestet und in die Praxis umgesetzt und ein sehr nützliches und „maßgeschneidertes“ Messsystem für FIBARO-Geräte entwickelt
PK: Was sind die wichtigsten Parameter für Sie und auf welche Probleme stoßen Sie bei Ihrer täglichen Arbeit am häufigsten?
RG: Das Wichtigste ist, dass das Strahlungsmuster omnidirektional ist. Dann erhalten wir eine gleichmäßige Signalabdeckung. An zweiter Stelle steht die Effizienz der Antenne. Wir versuchen, einen Wert von über 50% zu erreichen, was bei Antennen im 2,4-GHz- und 5-GHz-Band sehr real ist. Bei kleinen Geräten, die mit 433 MHz oder 868 MHz arbeiten (z. B. FIBARO Keyfob für 868 MHz), ist dies nicht so einfach, da die Größe des Geräts den Wirkungsgrad der Antenne bestimmt – dann werden auch niedrigere Werte akzeptabel. Es ist wünschenswert, dass die Antenne eine große Bandbreite hat und nicht besonders anfällig für Ausrichtung ist. Die Polarisation der Antenne ist nicht mehr so wichtig, da in einem realen System die Geräte auf unterschiedliche Weise installiert werden und die Übertragung im Gebäude zusätzliche Änderungen in dieser Hinsicht bewirkt. Deshalb ist es sehr schwierig, die Anforderungen in diesem Bereich zu definieren. Die Antenne selbst ist nicht alles, auch die Umgebung ist wichtig. Als empfindliche Empfänger des elektromagnetischen Feldes zeichnen FIBARO-Geräte alles auf, was in der Umgebung passiert. Dies geschieht häufig im Antennenausgangsspektrum: Rauschhügel, die von Wandlern oder diskreten Signalen erzeugt werden, die Harmonische von digitalen Signalen sind. Probleme treten auch dann auf, wenn die elektromagnetische Emission des Geräts gering ist und alle erforderlichen Standards erfüllt. Der Punkt ist, dass die Empfindlichkeit der derzeit verwendeten Funksysteme sehr hoch ist und wenn in der Antenne im Betriebsband des Empfängers eine Störung mit einer Leistung auftritt, die mit der des Empfängers vergleichbar ist, verlieren wir die Fähigkeit, die niedrigsten Signale zu empfangen. Dann beginnt der interessanteste Teil der Arbeit des Ingenieurs, und jedes wiederhergestellte Dezibel von Empfindlichkeit gibt große Zufriedenheit mit den Arbeitsergebnissen – dann sieht der Systembenutzer, dass die Reichweite der Geräte stark ist.
PK: Wie haben Sie die Antenne in Home Center 3 versteckt – wie lange dauerten die Arbeiten? Was hat FIBARO zu dieser Art von Design und Funktionalität veranlasst?
RG: In Home Center 3 wird nicht nur eine Antenne verwendet. Anfangs sollten es sogar sieben sein, weil wir überlegten, die LTE-Schnittstelle zu verwenden. Letztendlich finden sechs Antennen ihr Platz in der Gehäuse, die die Schnittstellen Z-WAVE, ZigBee, WiFi 802.11abgn, BLE und Nice unterstützen. Wir haben die LTE-Schnittstelle aufgegeben und eine Antenne hinzugefügt, die das 433-MHz-Band unterstützt, das für die Zusammenarbeit mit Produkten der Nice-Gruppe verantwortlich ist. Die Integration so vieler Antennen ist ein ziemlich komplizierter Prozess. Einschließlich der Optimierung dauerte es etwa zwei Monate. Zu Beginn haben wir die Größe des Geräts definiert, die hinsichtlich Design und Preis akzeptabel wäre. Die technische Abteilung wollte das Gerät groß halten, um einen höheren Antennenwirkungsgrad im unteren Frequenzbereich (433-870 MHz) zu erzielen. Die relativ große Plattenmaße haben uns Flexibilität bei der Optimierung des Abstands zwischen den Antennen gegeben, was bei Intermodulationsprodukten wichtig ist. Dann konzentrierten wir uns auf die Messung der Strahlungseigenschaften und die Optimierung der Antennenimpedanz. Hohe Effizienz und ziemlich gleichmäßige Strahlungseigenschaften waren unsere erste Priorität.
PK: Erinnern Sie sich an den Fall des iPhone 4 aus dem Jahr 2010, als die Telefone ihre Reichweite verloren haben? Werden solche Probleme heute nicht mehr auftreten?
RG: Ja, selbstverständlich. Ich erinnere mich an diesen Fall. Dies ist ein Problem, mit dem viele Ingenieure konfrontiert sind. Sie müssen definieren, was typische Verwendung bedeutet, und Tests in dieser Konfiguration durchführen. Es kann vorkommen, dass jemand eine bestimmte Eigenschaft der Antenne nicht erfasst und der Benutzer daher Probleme mit der Abdeckung hat. Bei Telefonen ist die Angelegenheit besonders schwierig, da die Position des Telefons relativ zu Kopf und Händen fast beliebig sein kann. Es ist unmöglich, alle Konfigurationen zu untersuchen, insbesondere wenn die Forschungszeit sehr begrenzt ist, und heutzutage erwarten die Verbraucher fast alle 6 Monate spektakuläre Premieren. Die Erfahrung des Designers und Testers ist in diesem Fall von unschätzbarem Wert. Wenn sie den schwierigsten Fall vorhersagen können, kann sich das Team darauf konzentrieren. Wenn nicht, wird es wahrscheinlich erst vom Benutzer erkannt. Natürlich können solche Probleme auch weiterhin auftreten. Wenn jemand beschließt, den aktiven Teil der Antenne außerhalb des Gehäuses zu platzieren, muss berücksichtigt werden, dass seine Impedanz extreme Werte annehmen kann und daher die Effizienz der Lösung variieren kann.
PK: FIBARO-Geräte arbeiten in der sogenannten Mesh-Netzwerke, können Sie erklären, wie es funktioniert? Wie funktioniert es und was sind seine Vorteile?
RG: Es geht darum, dass Geräte, die sich nicht in direkter Reichweite des Gateways befinden (FIBARO Home Center Lite, Home Center 2 oder Home Center 3), mithilfe von Geräten, die im selben Netzwerk arbeiten, weiterhin Kontakt mit der Zentraleinheit aufnehmen können. Dank dieses Mechanismus kann die Abdeckung von Z-WAVE-Netzwerken in Wohnungen oder Häusern viel größer sein. Es sollte beachtet werden, dass die erneut übertragenen Informationen den Funkkanal etwas länger als bei direkter Kommunikation blockieren, sodass wir eine Erhöhung der Reichweite auf Kosten der erneuten Übertragung und Verringerung der Kapazität des Funkkanals erreichen.
PK: Reicht es aus, Home Center Lite zu kaufen, wenn ich eine Wohnung von ca. 40 m² habe? Wird es von der Empfangstärke ausreichend sein? Wie beurteilen Sie den Bedarf an individuellem zentralem FIBARO je nach Raumgröße.
RG: Ja, Sie können entspannt davon ausgehen, dass ein FIBARO Home Center Lite in einer 40 m² großen Wohnung gut zu Recht kommen wird. Denken Sie jedoch daran, dass jeder Fall anders ist, was ich bereits erwähnt habe. In Bezug auf die Abdeckung bieten Home Center 2 und Home Center Lite eine ähnliche Werte, Home Center 2 verfügt jedoch über mehr Systemfunktionen. Ein großer Fortschritt in dieser Hinsicht ist die Home Center 3-Einheit, in der wir einen zusätzlichen Leistungsverstärker und ein LNA-Modul untergebracht haben. Ich denke, es wird keine Übertreibung sein, wenn ich sage, dass es doppelt so viel Abdeckung bietet als frühere Versionen von Geräten.
Es besteht kein Zweifel, dass die technologische Entwicklung und die ständig steigenden Anforderungen der Benutzer neuere und fortschrittlichere Lösungen erzwingen. Um die Möglichkeiten des Smart Home FIBARO voll nutzen zu können, sollten Sie einige wichtige Punkte beachten und die Installation einem professionellen Installateur anvertrauen. Diese Verbindung garantiert Zuverlässigkeit und im Zweifelsfall fast sofortige Hilfe.