Phased-Array-Antenne für IoT-Anwendungen

IoT-Systeme stellen besondere Anforderungen an die drahtlose Kommunikation: Endgeräte kommen oft in großer Zahl zum Einsatz, sind teils über weite Flächen verteilt, häufig mobil, energieautark und befinden sich nicht immer in Reichweite terrestrischer Netze. Eine zuverlässige, satellitengestützte Verbindung ist daher von zentraler Bedeutung.

Vor allem IoT-Anwendungen in der Logistik, Umweltüberwachung oder Landwirtschaft verlangen nach Antennensystemen, die kompakt, stromsparend und kosteneffizient sind – und dennoch zuverlässig mit LEO- oder GEO-Satelliten kommunizieren. Dabei erfordert die Übertragung von Daten über große Distanzen eine gezielte Strahlausrichtung: Nur so lässt sich auch bei geringer Sendeleistung eine stabile Verbindung zum Satelliten sicherstellen, ohne dass es zu Interferenzen oder Datenverlusten kommt.

Für energieautarke IoT-Geräte, die nur sporadisch kleine Datenmengen übertragen, sind herkömmliche Phased-Array-Antennenlösungen oft zu komplex, zu teuer oder zu sperrig. Besonders bei großflächigen Netzwerken mit einer Vielzahl vernetzter Endgeräte ist eine durchdachte Antennentechnologie gefragt, die zugleich wirtschaftlich skalierbar sein muss.

Unsere kompakte Phased-Array-Antenne erfüllt genau diese Anforderungen. Sie bietet hohen Antennengewinn und präzise Steuerung bei minimalem Platz- und Energiebedarf. Sie überzeugt durch ein intelligentes Design mit einer begrenzten Anzahl von Antennenelementen und sorgt für maximale Leistung. Durch den Einsatz handelsüblicher HF-Schalter und Verzögerungsleitungen anstelle teurer, hochintegrierter Beamformer-Chips senken wir die Produktionskosten und ermöglichen so die Herstellung kleinerer Stückzahlen – ideal für Frequenzbänder, in denen integrierte Lösungen nicht verfügbar sind.

Intelligentes Design mit Effizienzvorteil

Gezielte Strahlausrichtung, kompakte Bauweise und geringe Systemkomplexität: Unser Antennendesign vereint technische Effizienz mit hoher Skalierbarkeit. Durch den bewussten Verzicht auf komplexe Bauteile entsteht eine zuverlässige Lösung für energieeffiziente IoT-Anwendungen im Kontext satellitengestützter Kommunikation.

Innovative Elementanordnung für präzise Strahllenkung 

Für die präzise Ausrichtung einer Antennenkeule auf LEO- oder GEO-Satelliten sind genau zwei Richtungen entscheidend: der vertikale Winkel zur Anpassung der Elevation und die horizontale Ausrichtung im Azimut.

Im Gegensatz zu den üblichen rechteckigen Arrays positionieren wir die Antennenelemente in konzentrischen Kreisen und regelmäßigen Sektoren. Diese Art der Geometrie ermöglicht eine gezielte Strahllenkung mit minimalem Steueraufwand unabhängig von der Satellitenposition. Die Phasendifferenzen zwischen den Kreisen steuern die Elevation, während die gleichmäßige Sektorverteilung eine flexible Azimutsteuerung erlaubt.

Vorderseite der Phased-Array-Antenne
© Fraunhofer IIS/Paul Pulkert
Die Vorderseite des planaren Arrays besteht aus 25 zirkular polarisierten Elementen. Sie sind in zwei konzentrischen Kreisen um ein zentrales Element angeordnet.

Rückseite der Phased-Array-Antenne
© Fraunhofer IIS/Paul Pulkert
Die Rückseite des Antennen-Arrays besteht aus einer Antennenplatine mit Speisenetzwerk und schaltbaren Verzögerungsleitungen.

Optimierter Phasensatz für eine smarte Steuerung 

Unser Antennendesign kommt mit einer stark reduzierten Anzahl an Phasenwerten aus. Anstelle aufwendiger Phasenschieber nutzen wir geschaltete Verzögerungsleitungen im Speisenetzwerk. So können wir mit nur wenigen Phasenstufen pro Ring die gewünschte Strahlrichtung zuverlässig steuern. Diese reduzierte Komplexität minimiert den technischen Aufwand, spart Energie und senkt die Produktionskosten, was sich besonders bei Anwendungen mit vielen verteilten Endgeräten und geringer Datenvolumen auszahlt.

Eine Antenne, viele Möglichkeiten

Unsere kompakte Phased-Array-Antenne wurde zwar primär für satellitengestützte IoT-Geräte mit niedrigem Energieverbrauch und geringer Datenrate entwickelt. Phasengesteuerte Gruppenantennen sind jedoch auch in anderen Anwendungsbereichen gefragt. Durch das Hinzufügen weiterer Elementringe können sie problemlos höhere Datenraten übertragen. Damit eignet sich die Antenne für weitere Anwendungen in der Satellitenkommunikation, wie beispielsweise Satelliteninternet oder die Satellitenanbindung entlegener Standorte. 

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