08.05.2018

Antennen für größere Datenmengen

Systeme mit variabler Strahlungscharakteristik erhöhen die Datenrate

Mobilfunk, Satelliten­navigation, WLAN, Türöffner – moderne Autos nutzen eine Fülle drahtloser Dienste. Die Antennen zum Senden und Empfangen sind meist in der „Haifisch­flosse“ auf dem Dach montiert. Doch weil die Anzahl der mobilen Kommunikations­systeme und auch die zu bewältigende Datenflut stetig wachsen, werden komplexere Antennen­systeme benötigt, und der Platz in den schlanken Modulen wird knapp. Dadurch, dass sich Autos zukünftig zunehmend autonom sicher durch den Straßenverkehr bewegen sollen, wird dieses Problem noch verschärft. Ingenieure des Karlsruher Instituts für Techno­logie KIT haben jetzt ein rekonfi­gurierbares Antennen­system entworfen, das zuverlässig große Mengen Daten verschie­dener Dienste gleich­zeitig bewältigen kann.

Abb.: Im Antennenmessraum am KIT wird die Strahlungscharakteristik von neuen Antennensystemen optimiert. (Bild: M. Breig, KIT)

„Wer möglichst große Daten­mengen, möglichst vieler Nutzer gleich­zeitig, möglichst fehlerfrei übertragen möchte, steht je nach Umgebung vor unter­schiedlichen Heraus­forderungen“, erklärt Thomas Zwick, Leiter des Instituts für Hochfrequenz­technik und Elektronik. Wer zum Beispiel an einem belebten Ort wie dem Frankfurter Flughafen tele­fonieren wolle, habe eher ein Kapazitäts­problem. „Denn hier wollen viele Menschen gleich­zeitig kommu­nizieren.“ Wer hingegen in den Alpen ein Telefonat führen wolle, habe oft kein Netz. „Hier geht es dann um die Netz­abdeckung.“ Da die Daten­dienste der Autos häufig auch sicherheitsrelevant sind, müssen sie aber überall zuverlässig funk­tionieren.

Entscheidend dafür sei die Strahlungs­charakteristik, so Zwick weiter. Heute werden Auto­antennen verwendet, deren elektro­magnetisches Feld sich nach allen Seiten gleichmäßig ausbreitet. „Auf den ersten Blick scheint es die richtige Wahl zu sein, da während sich das Auto bewegt, Signale aus allen Winkel­richtungen empfangen werden können“, sagt KIT-Forscher Jerzy Kowalewski. Das Problem: Zum Beispiel im Stadt­gebiet können Signale von Häuser­wänden abgelenkt werden. Die Folge: Lücken­hafte Über­tragung bis zum vollständigen Daten­verlust. Hinzu kommen die genannten Kapa­zitäts- und Abdeckungs­probleme. Lösen soll dieses Problem die MIMO-Tech­nologie – Multiple-Input-Multiple-Output –, die Teil des neuen LTE-Mobilfunk­standards ist. Dazu werden aller­dings mehrere Antennen mit Sendern und Empfängern benötigt, wodurch die Systeme komplexer, größer und teurer werden.

Die Forscher haben deshalb mit rekonfi­gurierbaren Antennen­systemen experi­mentiert, um die Zahl der benötigten Sender und Empfänger auf ein Minimum zu reduzieren. Deren elektro­magnetische Felder sind nicht statisch, sondern können ihre Strahlungs­charakteristik wechseln. Wie ein Fischer, der zwei oder mehr Netze gleich­zeitig in unter­schiedliche Richtungen auswirft und so eine größere Fang­fläche ausbeuten kann: „Mittels Schalter können einzelne Antennenteile im Wechsel ein- oder ausgeschaltet werden, damit ändern sich die Richt­charak­teristiken zu den jeweiligen Sendern und Empfängern“, sagt Kowalewski. „Die parallele Übertragung von Daten über unter­schiedliche Ausbreitungs­wege erhöht die Kapazität des Systems und die Daten­rate.“

Im Ergebnis kommt Kowaleskis System mit weniger Sendern und Empfängern aus. Das spart nicht nur Kosten, sondern auch Platz. Gemeinsam mit Wissen­schaftlern der Technischen Univer­sität Wien, haben die Forscher zusätz­lich untersucht, ob sich ihre Antennen zukünftig nicht platz­sparend und aero­dynamisch im Dach versenken lassen. In die Karosserie inte­grierte Antennen­kavitäten bieten demnach zehnmal mehr Volumen als die herkömm­lichen Haifisch­flossen-Gehäuse und können vollständig unter der Dachlinie verborgen werden.

KIT / JOL

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