5G verändert die industrielle Produktion
Strahlende Kabel und die Zukunft
Geht es um Wireless-Kommunikation in Fertigung und Logistik, können strahlende Kabel eine Alternative zu klassischen Antennen bieten. Die erwartete Einführung von 5G in der Automatisierung stellt jedoch neue Anforderungen an strahlende Kabel. Vor allem mit einem neuen Frequenzbereich.
Bild: Kabelwerk Eupen AGDie Versprechungen, die die Einführung von 5G begleiten, sind ambitioniert und umfangreich. Bereiche, die bislang von darauf spezialisierten Techniken abgedeckt werden, wie die Steuerung und Überwachung von Produktionsanlagen oder autonomen Fahrzeugen mittels WLAN will 5G für sich einnehmen. In der Automatisierung sollen Produktionsanlagen mit latenzfreier, sogar deterministischer Funkkommunikation ausgerüstet werden.
Bild: Kabelwerk Eupen AGDie Antennentechnik entscheidet
Bei dem Einsatz jeder Funktechnik ist es die Antennentechnik, die entscheidet, ob die Funkkommunikation gut funktioniert. Dies ist abhängig von der Umgebung, in der sie eingesetzt wird. Die Physik eines geschlossenen Raumes, wie es ein Eisenbahntunnel, eine Produktionshalle oder ein Aufzugschacht im Hochhaus ist, stellt besondere Anforderungen an die Verbreitung von Radiowellen. Diese Anforderungen treten besonders zutage, wenn das Funksignal von einem Punkt aus gesendet wird, wie 'normale' Antennen das tun. Der sich bewegende Empfänger in einem geschlossenen Raum, z.B. das autonom fahrende Fahrzeug, das per Funk gesteuert werden soll, wird ein sich stark veränderndes Signal empfangen, das auf seinem Weg von der Antenne aus reflektiert, interferiert oder anders polarisiert wurde. Die direkte Sichtverbindung zwischen der Antenne und dem Empfänger macht die Funkverbindung stabil und berechenbar. Wie also kann man eine Art direkte Sichtverbindung innerhalb eines geschlossenen Raums erreichen?
Strahlende Kabel: Das Prinzip
Der Aufbau von Strahlenden Kabeln unterscheidet sich grundsätzlich von Antennen. Wie ein Koaxialkabel haben sie einen Innenleiter, der meist durch eine Schaumschicht vom Außenleiter getrennt ist. Dieser Außenleiter ist versehen mit Schlitzen, die an einer Seite des Kabels entlang seiner Länge die elektromagnetischen Wellen abstrahlen. Jeder Schlitz bildet im Prinzip eine kleine Antenne. Die Energie des Radiosignals, die in das Kabel gegeben wird, verteilt sich über die Länge des Kabels und wird über die Schlitze wieder abgegeben. Das strahlende Kabel kann so das Radiosignal entlang der Strecke, auf der sich die mobilen Empfänger bewegen, direkt an diese senden. An jeder Stelle entlang des Kabels hat jeder Empfänger eine direkte Sichtlinie zum strahlenden Kabel. Interferenzen, Abschattungen oder andere Manipulationen des Signals finden viel weniger statt, da das Signal direkt zum Empfänger abgestrahlt wird. Die Ausbreitung des Funkfelds entlang des Kabels ist berechenbar und auch dann noch stabil und zuverlässig, wenn sich mehrere Fahrzeuge im Tunnel bewegen.
Bild: Kabelwerk Eupen AGSystemverluste
Einer der Vorteile von strahlenden Kabeln ist es, auch lange Strecken unterbrechungsfrei mit Funk zu versorgen. Wegen der Längsdämpfung des Kabels, die mit der Höhe der Frequenz auch steigt, ist nach einer bestimmten Länge jedoch nicht mehr genügend Signalstärke vorhanden, um das Signal noch sinnvoll abstrahlen zu können. Zusätzlich wird das Signal bei seinem Weg durch die Luft vom Kabel zum Empfänger gedämpft. Dies wird als Koppeldämpfung bezeichnet. Das Signal, das in das Kabel mit einer gewissen Signalstärke eingespeist wird, muss beim Empfänger mit einer Mindeststärke ankommen, damit noch eine vernünftige Kommunikation möglich ist. Die Summe der Dämpfungen, die das Signal durch das Kabel und die Koppeldämpfung erfährt, darf also nicht zu groß werden. Damit ist die mögliche Kabellänge begrenzt. Kabel mit größerem Durchmesser haben eine geringere Längsdämpfung und können also längere Strecken in einem Funksystem abdecken, als das Kabel mit geringerem Durchmesser können. Jedoch können Kabel aufgrund ihres Durchmessers nur bis zu einer bestimmten Maximalfrequenz hohe Frequenzen übertragen, ohne dass es zu unerwünschten Effekten wie Laufzeitverschiebungen oder Interferenzen kommt. Möchte man höhere Frequenzen übertragen, muss der Kabeldurchmesser geringer werden, was dem Wunsch nach möglichst geringer Längsdämpfung entgegen steht.
Mehr Bandbreite
Eines der Versprechen von 5G ist es, die verfügbare Datenrate für jeden Nutzer nochmals zu erhöhen. Bereits mit LTE, auch 4G genannt, werden schon komplexe Modulations- und Übertragungsverfahren eingesetzt wie MiMo (Multiple Input - Multiple Output), um die Datenraten zu erhöhen. Mit 5G wird an diesen Stellschrauben weiter gedreht, es werden noch komplexere und höher entwickelte Übertragungsverfahren eingesetzt. Die einfachste Möglichkeit jedoch, die Datenrate auf einer Trägerfrequenz zu erhöhen, ist die Anhebung der Frequenz selbst. Somit wurde der Kanal n78 nun von WiMAX übernommen und für 5G reserviert. Dieser Kanal ist definiert von 3,3 bis 3,8GHz. Für LTE wurde bislang als höchste Frequenz 2,7GHz verwendet. Es ist also ein Sprung von einem guten Gigahertz nach oben.
Kabeldesign
Die Koppeldämpfung hat den stärksten Einfluss auf die Performance des strahlenden Kabels. Diese wird durch das Schlitzdesign beeinflusst. Die Maße, Abstände und Größe der Schlitze bestimmen das Abstrahlverhalten des Kabels. Den Ingenieuren des Kabelwerk Eupen ist es gelungen, hier große Fortschritte zu machen. Durch das patentierte Schlitzdesign der Eucaray-Kabel wird eine erhöhte elektrische Feldstärke an der Stelle erzeugt, wo sich der Empfänger bewegt. Da ein 1-1/4"-Kabel seine Grenzfrequenz bei ca. 3,7GHz hat, gerät es im Kanal n78, der ja bis 3,8GHz geht, hart an seine Grenze. Deswegen wurde ein 7/8"-Kabel entwickelt, das für den Frequenzbereich 3,5 bis 3,8GHz ausgelegt wurde. Dieses strahlende Kabel zeigt in dem hohen Frequenzbereich eine deutlich verringerte Koppeldämpfung als vergleichbare Kabel. Diese Eigenschaft kompensiert auch die erhöhte Längsdämpfung, die das Kabel wegen seines geringen Durchmessers hat. Als Resultat weist das Kabel in diesem Frequenzbereich bessere Systemdämpfungen auf. Zudem ist es leichter und flexibler und somit in der Praxis in mehr Anwendungsbereichen einsetzbar. Mit dem neuen Eucaray RMC78-G steht nun erstmals ein strahlendes Kabel speziell für den Einsatz im Frequenzbereich des Kanal n78 zur Verfügung, der für 5G-Applikationen mit hoher Datenrate vorgesehen ist.
Fazit
Der neue Funkstandard 5G verspricht mehr Bandbreite und gleichzeitig die Abdeckung von Anwendungsbereichen, in denen klassischer Mobilfunk bislang nicht vertreten war, wie in der Automatisierung. Um das zu erreichen, wird mit dem Kanal n78 eine höhere Funkfrequenz benutzt. Jedoch unterliegt auch die komplexere und leistungsfähigere 5G-Technik den physikalischen Bedingungen innerhalb geschlossener Räume. Strahlende Kabel sind für diese Umgebung entwickelt worden und bieten gegenüber Antennen die zuverlässige und berechenbare Lösung, um eine freie Sichtverbindung zur Übertragung des Signals zwischen Sender und Empfänger zu erreichen. Somit werden strahlende Kabel auch in der 5G-Zukunft benötigt werden, müssen aber in der Lage sein, auch die neuen Frequenzbänder zu unterstützen. Diese liegen in einem so hohen Frequenzbereich, den die bisher genutzten 1-5/8"-Kabel nicht mehr unterstützen. Mit einem neu entwickelten 7/8"- strahlenden Kabel ist eine auf den Frequenzbereich hin ausgelegte Lösung verfügbar, die so leistungsfähig ist, dass sie auch in klassischen Tunnelprojekten eingesetzt werden kann.
Geht es um Wireless-Kommunikation in Fertigung und Logistik, können strahlende Kabel eine Alternative zu klassischen Antennen bieten. Die erwartete Einführung von 5G in der Automatisierung stellt jedoch neue Anforderungen an strahlende Kabel. Vor allem mit einem neuen Frequenzbereich.
Bild: Kabelwerk Eupen AGDie Versprechungen, die die Einführung von 5G begleiten, sind ambitioniert und umfangreich. Bereiche, die bislang von darauf spezialisierten Techniken abgedeckt werden, wie die Steuerung und Überwachung von Produktionsanlagen oder autonomen Fahrzeugen mittels WLAN will 5G für sich einnehmen. In der Automatisierung sollen Produktionsanlagen mit latenzfreier, sogar deterministischer Funkkommunikation ausgerüstet werden.
Kabelwerk Eupen AG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 6 Juni 2020 - 09.06.20.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
