9-2015

ApplikationBild 5: Block-Diagramm eines typischen drahtlosen Sensors, basierend auf einem ZL70250haben eine Reihe von Vorteilengegenüber 2,4 GHz:Bereich- undSignalqualitätZwar durchdringen FunkwellenWände und andere Hindernisse,jedoch wird dabei dasSignal geschwächt. Die Dämpfungsratensteigen bei höherenFrequenzen, daher wird das2,4-GHz-Signal auch stärker alsein Sub-GHz-Signal gedämpft.Desgleichen ist die Dämpfungbei 2,4 GHz-Signalen größer,wenn sie an dichten Oberflächenreflektiert werden. In bebautemGelände kann sich die 2,4-GHz-Übertragung sehr schnellabschwächen, was nachteiligdie Signalqualität beeinflusst.• Biologische Materialien absorbierenHF-Energie in Abhängigkeitvon der Frequenz.Niedrigere Frequenzen könnenleichter in den Körpereindringen, ohne absorbiertzu werden, im Vergleich zueinem 2,4-GHz-Link.• Obwohl sich Funkwellen ineiner geraden Linie ausbreiten,biegen sie sich trotzdembeim Auftreffen auf einestabile Kante (wie die Eckeeines Gebäudes). Nimmt dieFrequenz ab, erhöht sich derBeugungswinkel noch undermöglicht es Sub-GHz-Signalen sich noch weiter umein Hindernis zu verbiegenund damit den Blockiereffektzu reduzieren..Die Friis-Gleichung demonstriertdie überlegenen Ausbreitungseigenschaftendes Sub-GHz-Funkbereichs und zeigt,dass die Streckendämpfung bei2.4 GHz um 8.5 dB höher alsbei 900 MHz ist. Dies bedeutet,dass ein 900-MHz-Signal die2,67fache Ausbreitungsreichweitehat, da sich der Bereichmit jeder Zunahme der Leistungum 6 dB verdoppelt. Umden Bereich eines 900-MHz-Geräts zu erreichen würde eine2,4-GHz-Lösung eine um 8,5 dBhöhere zusätzliche Leistungbenötigen.Sowohl Leistungs-Wirkungsgradals auch Systembereichsind Funktionen der Empfängerempfindlichkeitund der Übertragungsfrequenz.Die Empfindlichkeitist umgekehrt proportionalzur Kanalbandbreite, so dasseine schmalere Bandbreite zuhöherer Empfängerempfindlichkeitführt und effizienten Betriebbei niedrigeren Übertragungsratenerlaubt.Wenn z.B. bei 300 MHz dieFrequenzfehler des Sender- unddes Empfängerquarzes jeweils10 ppm betragen, entspricht das3 kHz für jeden Quarz. Damitdiese Anordnung effizient arbeitet,muss die minimale Kanalbandbreitedoppelt so groß wieder Frequenzfehler sein, also6 kHz, was für Schmalbandanwendungenideal ist. Das gleicheSzenario bei 2,4 GHz benötigteine minimale Kanalbandreitevon 48 kHz, was nicht nur Bandbreitefür Schmalbandanwendungenvergeudet sondern vorallem mehr Leistung benötigt.Größerer Bereich, niedrige Interferenzenund geringe Leistungsaufnahmesind grundlegendeVorteile von Sub-GHz- gegenüber2,4-GHz-Anwendungen.Einer der Nachteile, die häufigzitiert werden, ist, dass dieAntennen größer als die in den2,4-GHz-Netzen sind. Die optimaleAntennengröße für Anwendungenbei 433 MHz zum Beispielkann bis zu 17,5 cm betragen.Spielt die Größe bei Knoteneine Rolle, kann die Frequenzauch bis zu 950 MHz angehobenwerden.Die Gesamt-Leistungsaufnahmeeines drahtlosen Sensors hängtnatürlich auch von der Zeit ab,die benötigt wird, um die Datenzu übertragen. Sie ist abhängigvon der geforderten Datenrateund dem verwendeten Übertragungsprotokoll.Die Bitgeschwindigkeitist einer derwichtigsten Faktoren, der dieLeistungsaufnahme in drahtlosenLinks bestimmt. Ein 100-kps-Funkgerät verbraucht dabeiungefähr die halbe Leistungeines 50-kps-Gerätes bei gleicherDatenmenge.Beim Vergleich von HF-Transceivernist die Energie pro Bitein besserer Indikator als dieStromaufnahme. Aber Funkgerätemit hoher Bitgeschwindig-Bild 6: Block-Diagramn eines drahtlosen Sensors, der mit einem Energie-Harvester versorgt wird10 hf-praxis 9/2015