5G Antennen

Am Hype um 5G Antennen besteht kein Zweifel. Die Begeisterung für eine schnellere, vernetzte Zukunft ist aufregend, aber für viele Produktdesigner ist die genaue Definition des Begriffs 5G nicht ganz klar. 5G hat mit klassischem Mobilfunk, wie wir ihn kennen, wenig zu tun. Im Gegensatz zu früheren Technologien wie 4G gibt es kein einheitliches 5G-Netz. Es ist mehr als eine Weiterentwicklung der vorherigen Technologie; es ist eine ganze Reihe neuer Netzwerke für verschiedene Anwendungen. Das macht das ganze Thema etwas unübersichtlich, aber die Versprechen des 5G Standards sind groß. Maximale Geschwindigkeiten von bis zu 20 Gb/s, minimierte Signallaufzeiten (Latenz) und mehrere Mobilgeräte gleichzeitig pro Zone lassen alle Wireless-Erlebnisse augenblicklich erscheinen und öffnen die Tür zu neuen Anwendungen. Für einige von uns wird sich außer schnelleren Videostreams und einem realistischeren Spielerlebnis nichts ändern, aber in der Zwischenzeit werden unbekannte Anwendungsfälle entwickelt.

Was also ist 5G? Und was müssen Designer und Ingenieure beachten, um von dieser Technologie zu profitieren?
 

Der 5G-Standardisierungsprozess

5G ist ein Überbegriff für verschiedene Netzwerke, Technologien und Anwendungen. Dies ist eine Standardisierung für die mobile Kommunikation. Der Name 5G wurde von der International Telecommunication Union (ITU) als „Mobilfunksystem der fünften Generation“ geprägt. Zu diesem Zweck treibt das Normungsgremium des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) seine 5G-Implementierung mit der International Mobile Telecommunication Initiative (IMT-2020) voran. Gleichzeitig arbeiten andere Standardisierungsgremien, darunter das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und die ITU, an einer 5G-Spezifikation. Ende 2019 wurde der Standardisierungsprozess abgeschlossen und wir sehen nun immer mehr freigegebene Anwendungen.
 

Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche 5G Antennen

Viele Anwendungen werden mit dem neuen Kommunikationsstandard abgewickelt und mehrere Frequenzbereiche für den 5G-Mobilfunk müssen berücksichtigt werden. Generell können 5G-Mobilfunknetze in unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden und benötigen daher unterschiedliche Antennen für unterschiedliche Frequenzbänder. Deutlicher wird es, wenn wir 5G-Frequenzbänder im sogenannten mehrschichtigen Spektrum auswählen und mit einer App abgleichen. Der Abdeckungsbereich: Unter 2 GHz (z.B. 700 MHz) ist dieser für Innenräume geeignet, da sich die elektromagnetischen Wellen bei dieser Wellenlänge durch Objekte ausbreitet. Das C: 2 bis 6 GHz Band vereint Abdeckung, Kapazität und den „Super Data Layer“. Frequenzen über 6 GHz (z.B. 24-29 GHz und 37-43 GHz) bieten eine hohe Bandbreite, erfordern aber eine direkte Sichtverbindung, da selbst Blätter an Bäumen die Verbindung blockieren können. Da verschiedene Frequenzen verwendet werden, um ein Signal für verschiedene Anwendungen zu übertragen, sind spezielle 5G Antennen und Antennendesigns erforderlich. Die Variation der für die Kommunikation verwendeten Frequenzbänder ist also einer der Gründe, warum wir mehr Antennen sehen.

5G funktioniert anders als 4G

Da die Nachfrage nach Frequenzen weiter wächst, weisen Bundeskommunikationsbehörden freie oder freie Frequenzbereiche neu zu. Durch das Reframing wird den bereits für 5G zugeteilten Frequenzen die Betriebserlaubnis erteilt. Netzbetreiber können daher frei entscheiden, welche Mobilfunktechnologie sie nutzen möchten. Mit dem Auslaufen der UMTS-Frequenzen im 2-GHz-Band Ende 2020 und 2025 können diese Frequenzen ab 2021 bis 2026 für 5G (insgesamt 60 MHz) zugeteilt werden. Überall auf der Welt bleibt das ungenutzte 3,5-GHz-Band der WiMax-Technologie übrig. Damit wird 2022 eine Bandbreite von 300 MHz im 3,6-GHz-Band zur Verfügung stehen und die Frequenzen zwischen 3,7 und 3,8 GHz liegen. Der NR verwendet den mmWave (Millimeterwelle)-Bereich und beginnt bei 24 GHz und reicht bis 52,6 GHz. Zukünftig könnten auch Teile des 64-86-GHz-Bereichs hinzukommen. Die meisten für 5G vorgesehenen Frequenzen (3,5 GHz, 26 GHz und höher) sind jedoch aufgrund der physikalischen Bedingungen der Funksignalausbreitung nur für kurze Reichweiten geeignet. Diese Frequenzbereiche haben jedoch ein hohes Bandbreitenpotenzial. Mit Basisstationen mit geringer Leistung, sogenannten Femtozellen, können Mobilfunk-Hotspots mit sehr hohen Datenraten betrieben werden. Dies bedeutet, dass mehr Basisstationen benötigt werden. So können Straßenlaternen irgendwann nicht nur Licht, sondern auch mobilen Gigabit-Internetzugang bieten, indem sie Basisstationen für Femtozellen hosten.
 

5G Antennen Ermöglichen besseres Beamforming

Beamforming ist eine aktive Antennentechnologie, die über Richtfunkverbindungen gleichzeitig und selektiv einzelne Mobilgeräte mit hoher Bandbreite mit Strom versorgt. Die Nutzung höherer Frequenzbereiche macht Mehrantennensysteme notwendig. Je höher die Frequenz, desto schlechter sind die Bedingungen, unter denen sich elektromagnetische Wellen ausbreiten. Mehrantennensysteme und Beamforming können dem teilweise entgegenwirken. Beamforming ermöglicht das räumlich gezielte Senden und Empfangen von Funksignalen. Je mehr Dipole (Antennenelemente) zur Verfügung stehen, desto besser funktioniert das Beamforming.
 

Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) - 5G-Mobilfunkübertragungstechnologie

Im Gegensatz zu früheren Mobilfunkgenerationen mit GSM, UMTS und 4G/LTE muss sich 5G technisch nicht grundlegend ändern. Neben der bestehenden LTE-Technologie kommen weitere Systeme und Infrastrukturen hinzu, um beispielsweise einen höheren Datendurchsatz und geringere Latenzzeiten zu erreichen. Die Schlüsselelemente der 5G NR-Infrastruktur sind aktive Antennenarrays, die Multi-User-MIMO-Technologien ermöglichen. Diese Antennenmodule nutzen Beamforming für den gezielten Funkkontakt zum Empfänger. Extrem kleine Antennenarrays mit hoher Richtwirkung können einzelnen mobilen Endgeräten eine hohe Übertragungsrate zur Verfügung stellen. In den neuesten 3D-MIMO- und Massive-MIMO-Geräten befinden sich mehrere Sender- und Empfängereinheiten in einem einzigen Endgerät.
 

Bereitstellung des 5G-Kanals und 5G-Netzwerks

Die Antennenmuster von Mobilfunk- und Basisstationen können simuliert und dann für eine übergeordnete Systemanalyse der 5G-Funknetzabdeckung und zur Ermittlung von Kanalstatistiken für städtische, ländliche und inländische Szenarien verwendet werden. Die Anwendungsfälle für 5G-Netze werden jedoch vor allem aufgrund der unterschiedlichen Faktoren, die im Millimeterband auftreten, noch relevanter. Dazu gehören höhere Pfadverluste durch atmosphärische Absorption und Niederschlag, minimales Eindringen in Wände und größere Effekte durch Oberflächenrauigkeit. Neben der Berechnung von Winkelspreizung und Verzögerung bietet WinProp auch eine Plattform zum Analysieren und Vergleichen der Leistung verschiedener MIMO-Setups unter Berücksichtigung von Beamforming.
 

Fazit: Anwendungen und Perspektiven des 5G-Mobilfunks und 5G Antennen

5G ist eine wichtige mobile Plattform für die vernetzte Gesellschaft, die unterschiedlichen Breitbandanforderungen gerecht werden muss. Viele erwarten, dass 5G zu einer industriellen Umbruch führen wird. Von der 5G-Mobiltechnologie wird viel erwartet, und es wird davon ausgegangen, dass 5G die Grundlage für eine große Menge zukünftiger Anwendungen sein wird.