Veröffentlicht November 26, 2024 ·Allgemein Funktechnologien Wissen· 7 Min. Lesezeit

LoRaWAN-Antenne: Alles, was Sie über Auswahl und eine optimale Netzabdeckung wissen müssen

In der Welt des Internet of Things (IoT) spielt LoRaWAN eine zentrale Rolle bei der Vernetzung von Geräten über große Distanzen mit minimaler Energie. Ob in der Landwirtschaft, im städtischen Umfeld oder in industriellen Anwendungen – die Robustheit und Effizienz von LoRaWAN machen sie zu einer idealen Wahl. Aber wussten Sie, dass die Auswahl der richtigen LoRaWAN-Antenne entscheidend für die Effektivität Ihres Netzwerks ist?

In diesem Beitrag erfahren Sie alles Wissenswerte über LoRaWAN-Antennen, ihre Auswahl und Installation, um die Leistung Ihrer IoT-Lösungen zu optimieren.

Wozu dient eine LoRaWAN-Antenne?

Eine LoRaWAN-Antenne vermittelt zwischen dem Endgerät und dem LoRaWAN-Netzwerk. Aufgrund der niedrigen Frequenzen, in denen LoRaWAN operiert, erhöhen entsprechende Antennen die Reichweite (Performance). Das bedeutet, mit der richtigen Antenne verbessern Sie also die Netzabdeckung.

Verschiedene Arten von LoRaWAN-Antennen

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Antennenarten, die im Zusammenhang mit LoRaWAN eingesetzt werden können. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen folgenden Typen, wobei jede Variante spezifische Vor- und Nachteile bietet:

Omnidirektionale Antennen

Diese Antennen, auch Rundstrahlantennen genannt, strahlen das Signal gleichmäßig in alle Richtungen aus und eignen sich hervorragend für den Einsatz an Orten, an denen eine 360-Grad-Abdeckung erforderlich ist. Sie werden oft für Gateways genutzt, die viele Endgeräte aus unterschiedlichen Richtungen erreichen müssen

Richtantennen

Richtantennen (wie z. B. Panelantennen) konzentrieren das Signal in eine spezifische Richtung. Dadurch können sie die Reichweite erheblich erhöhen, sind jedoch weniger flexibel, da sie exakt ausgerichtet werden müssen. Diese Antennen sind ideal, wenn es darum geht, gezielt entfernte LoRaWAN-Endgeräte anzusprechen.

Embedded- oder PCB-Antennen

Diese Antennen sind oft direkt in IoT-Geräten integriert und bieten eine platzsparende Lösung. Sie sind typischerweise weniger leistungsfähig als externe Antennen, eignen sich jedoch für Anwendungen, bei denen die Gerätegröße eine wichtige Rolle spielt.

Wichtige Faktoren bei der Auswahl einer LoRa-Antenne

Mehrere Faktoren beeinflussen die Reichweite von LoRaWAN-Antennen. Jedoch spielen ebenso die Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit des verwendeten LoRaWAN-Gateways oder Endgeräts eine zentrale Rolle. Eine gute Antenne kann die Reichweite signifikant verbessern, indem sie das Signal verstärkt und Störungen minimiert. Bei der Auswahl einer LoRaWAN-Antenne ist es wichtig, auf den Frequenzbereich, den Gewinn (gemessen in dBi) und die Richtwirkung zu achten. Antennen mit höherem Gewinn konzentrieren die Signalenergie besser und erhöhen die Reichweite, während die richtige Frequenz sicherstellt, dass die Antenne mit dem regional spezifischen LoRaWAN-Netz kompatibel ist.

Wichtige Auswahlkriterien

Eigenschaft	Erläuterung
Frequenz (MHz)	Genau wie die anderen Komponenten eines LoRaWAN-Netzwerks muss auch die Antenne in dem für die Region üblichen Frequenzbereich senden und empfangen. In Europa sind dies beispielweise 868 MHz und in den USA 915 MHz. Der Frequenzbereich ist also allein abhängig von der Region.
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)	Der VSWR gibt an, wie gut eine LoRaWAN-Antenne auf die Funkfrequenz abgestimmt ist, die sie senden oder empfangen soll. Ein niedriger VSWR-Wert zeigt an, dass die Antenne effizient arbeitet, indem sie möglichst viel der eingespeisten Leistung abstrahlt und wenig reflektiert. VSWR = 1:1: Idealer Wert – 100 % der Leistung werden abgestrahlt. VSWR < 1.5:1: Sehr guter Bereich, gängiges Ziel für LoRaWAN-Antennen. VSWR > 2:1: Weniger optimal – mehr Energie wird reflektiert, was zu Leistungsverlusten und potenziellen Schäden am Sender führen kann. Ein niedriger VSWR-Wert bedeutet also eine bessere Abstimmung und Effizienz der Antenne und ist für stabile, verlustarme Verbindungen entscheidend.
Antennengewinn (dBi)	Der Antennengewinn, gemessen in dBi, beeinflusst die Reichweite. Höhere dBi-Werte verbessern die Reichweite, verringern aber die Abdeckung in der Breite. Typische LoRaWAN-Antennen haben Werte zwischen 3 und 12 dBi, je nach Anwendung. Im städtischen Umfeld mit dichter Bebauung eignen sich eher kleinere Antennen mit Werten zwischen 2-5 dBi. Oft werden hier omnidirektionale Antennen bevorzugt. Im ländlichen Bereich bzw. auf offenen Flächen ohne höhere Hindernisse werden eher größere Antennen mit höheren dBi Werten zwischen 6-12 dBi eingesetzt, da sie die Signale besser in eine bestimmte Richtung streuen.
Strahlbreite bzw. Abstrahlwinkel	Die Strahlbreite einer LoRaWAN-Antenne beschreibt den Öffnungswinkel, innerhalb dessen die abgestrahlte Leistung mindestens die Hälfte des Maximalwertes erreicht. Sie gibt an, wie „breit“ oder „fokussiert“ das Signal in eine bestimmte Richtung abstrahlt und wird in Grad angegeben (z. B. 30°, 60°, 120°).
Polarisation	Die Polarisation beschreibt die Ausrichtung der elektromagnetischen Wellen, die die Antenne abstrahlt oder empfängt. Es gibt hauptsächlich drei Arten: vertikale, horizontale und zirkulare oder elliptische Polarisation. Für eine optimale Leistung ist es wichtig, dass Sender- und Empfängerantenne die gleiche Polarisation haben, da sonst Signalverluste auftreten können.
Widerstand (Ohm)	Der Widerstand, genauer gesagt die Impedanz, gibt an, wie stark die Antenne den elektrischen Stromfluss bei der gewünschten Frequenz beeinflusst. Die Impedanz ist ein komplexer Wert, der sowohl den ohmschen Widerstand als auch den reaktiven Widerstand (aus Kapazität und Induktivität) umfasst. Für die meisten LoRaWAN-Systeme beträgt die standardmäßige Impedanz 50 Ohm.

Wie hängen Abstrahlwinkel und Antennengewinn (dBi) zusammen?

Die Strahlbreite bestimmt die Ausbreitungsrichtung und Reichweite der Antenne. Schmale Strahlbreiten fokussieren das Signal für größere Reichweiten, während breitere Strahlbreiten eine gleichmäßigere Abdeckung im Nahbereich bieten. Die richtige Strahlbreite hängt von der gewünschten Abdeckung und Reichweite der LoRaWAN-Verbindung ab. Für städtische Umgebungen oder Bereiche mit vielen Hindernissen kann eine breitere Strahlbreite (Rundstrahlcharakteristik) nützlich sein, um das Signal gleichmäßig zu verteilen. Für lange Strecken und freie Sichtlinien sind schmale Strahlbreiten ideal, da sie die Leistung und Reichweite maximieren.

Schmalere Strahlbreite (z. B. 30°-60°): Eine schmalere Strahlbreite bedeutet eine höhere Richtwirkung. Die Antenne fokussiert das Signal in eine bestimmte Richtung und kann größere Reichweiten erzielen. Diese Art von Antennen (oft Yagi- oder Panelantennen) sind ideal für ländliche Gebiete oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wo die Signale gezielt gerichtet werden müssen.
Breitere Strahlbreite (z. B. 90°-120°): Eine breitere Strahlbreite bedeutet, dass sich das Signal über einen größeren Bereich verteilt, was eine bessere Abdeckung in der Umgebung ermöglicht. Diese Art von Antennen (oft Rundstrahlantennen) sind ideal für urbane Gebiete oder Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen, wo eine flächendeckende Versorgung gewünscht ist.

Strahlungsmuster von LoRaWAN-Antennen

In den technischen Datenblättern zu LoRaWAN-Antennen findet sich zumeist eine Grafik, in der das Strahlungsmuster abgebildet ist. Dieses dreidimensionale Muster, im Englischen als Radiation Pattern bezeichnet, zeigt an, wie die abgestrahlte Energie der LoRa-Antenne im Raum verteilt wird, also in welchen Richtungen das Signal stärker oder schwächer ist. Es hilft dabei, die Reichweite, Abdeckung und Effektivität der Antenne für bestimmte Anwendungen einzuschätzen.

Weitere Einflussfaktoren

Kriterium	Erläuterung
Wetterbeständigkeit	Für Outdoor-Anwendungen muss die Antenne bzw. das Antennengehäuse wetterfest sein. In diesem Fall achten Sie darauf, dass das Gehäuse der Schutzart IP67 entspricht. Diese Antennen widerstehen Staub und Wasser und sind somit für widrige Bedingungen geeignet.
Regulatorische Anforderungen	Die Einhaltung regionaler Vorschriften ist notwendig, besonders hinsichtlich der effektiv abgestrahlten Sendeleistung (EIRP) und der Frequenzverwendung, um Störungen zu vermeiden.

Tipps zur richtigen Installation

Für die optimale Leistung sollte die LoRaWAN-Antenne möglichst hoch und ohne Hindernisse installiert werden, um die Signalübertragung maximal ausnutzen zu können. Die Montage auf Masten oder Dächern ist üblich, da Hindernisse wie Gebäude oder Bäume die Reichweite verringern können. Eine sichere Montage ist notwendig, um die Antenne vor Wind und Wetter zu schützen. Außerdem sollten Sie Störungen durch andere elektronische Geräte vermeiden, die die Signalstärke beeinträchtigen könnten. Richten Sie die Antenne so aus, dass sie zur Hauptempfangsrichtung zeigt. Eine leichte Neigung kann manchmal die Signalqualität verbessern. Stellen Sie sicher, dass die Antenne gegen Witterungseinflüsse geschützt ist, um eine langfristige Leistung zu gewährleisten.

Eine LoRaWAN-Antenne, die im Freien installiert ist, sollte idealerweise einen Blitzschutz haben, um die Antenne und die angeschlossene Ausrüstung vor Blitzeinschlägen und Überspannungen zu schützen.

Fazit

LoRaWAN-Antennen sind ein integraler Bestandteil bei der Optimierung der IoT-Konnektivität. Ob omnidirektionale Antennen für eine breite Abdeckung oder Richtantennen für eine gezielte Signalverstärkung – jede hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile.

Wichtige Faktoren wie der Antennengewinn, die richtige Frequenz, der Standort und eine fachgerechte Installation müssen beachtet werden, um die bestmögliche Leistung zu erzielen. Eine gut geplante Antennenauswahl und -installation ist der Schlüssel für ein erfolgreiches LoRaWAN-Projekt.

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