Funkemissionen eines IoT-Geräts und wie man sie misst

Das zu prüfende Gerät (DUT): Anisca Bird besteht aus einer Holzsitzstange, die vor dem Eingang von Schleiereulennistkästen montiert werden kann. Sie ist smart, weil sie einen integrierten Gewichtssensor sowie einen Niederfrequenz-RFID-Leser enthält, der einen passiven Identifikationsring am Bein der beobachteten Eule erkennt. Jedes Mal, wenn eine Eule ihren Nistkasten besucht, erkennt unser Gerät die Identität der Eule, misst ihr Gewicht und überträgt diese Daten über einen stromsparenden Funkstandard namens SIGFOX.

Wenn sie aktiv sind, senden der RFID-Leser und der SIGFOX-Transceiver elektromagnetische Signale bei 125 kHz bzw. 868 MHz aus. Aufgrund von Unvollkommenheiten strahlen sie auch unerwünschte, sogenannte Nebensendungen, auf anderen Frequenzen ab. Da diese Funkwellen potenziell andere elektronische Geräte stören könnten, wurden Normen und Standards festgelegt, um die Leistung sowohl der Haupt- als auch der Nebensendungen zu begrenzen.

Die relevantesten Normen für unsere Tests sind ETSI EN 300 330 für den RFID-Leser und ETSI EN 300 220-2 für SIGFOX.

Die eigentlichen Messungen begannen in der Absorberkammer unseres Partnerlabors – einem Raum, der komplett gegen Funksignale abgeschirmt ist und dessen Wände mit nicht-reflektierenden Strukturen bedeckt sind. Der Prototyp und ein RFID-Vogelring wurden auf einem drehbaren Drehtisch platziert. Über den USB-Wartungsport schalteten wir den RFID-Leser in den Dauerstrichmodus (CW), der ein konstantes 125-kHz-Signal sendete. Dieses Signal wurde von einer Breitband-H-Feld-Antenne aufgefangen und mithilfe eines Spektrumanalysators konnte die magnetische Feldstärke über den gesamten Frequenzbereich von 10 kHz bis 30 MHz dargestellt werden.

Für Frequenzen oberhalb von 30 MHz bis 1 GHz wurde die Empfangsantenne durch eine Fernfeldantenne ersetzt. In beiden Frequenzbereichen wurden auch Messungen mit dem DUT im Standby-Modus durchgeführt. Schliesslich wurden die gleichen Arten von Messungen mit aktivem SIGFOX-Modul für 30 MHz bis 6 GHz durchgeführt.

In der obigen Abbildung ist die magnetische Feldstärke des RFID-Lesers im aktiven Modus grün dargestellt. Ein deutlicher Peak ist nahe der vorgesehenen Betriebsfrequenz von 125 kHz sichtbar. Die rosa Linie ist eine Einhüllende, die die maximal zulässige Feldstärke beschreibt, die das DUT einhält.

Bei den Nebensendungen zwischen 30 MHz und 1 GHz sind die Grenzwerte – in Rot – viel niedriger, da es sich um unerwünschte Emissionen handelt. Ein leichter Peak bei 100 MHz stammt vom internen Spannungswandler, der eine geregelte 5-V-Versorgung für den RFID-Leser bereitstellt. Da der Peak jedoch noch unter dem erforderlichen Grenzwert liegt, ist dies kein Grund zur Sorge.

Ein zusätzliches Ergebnis wurde für das SIGFOX-Signal erstellt: das Strahlungsdiagramm der Antenne. Die Antenne strahlt nicht in alle Richtungen gleich stark. Obwohl die Antenne selbst konstruktionsbedingt isotrop ist, verhält sie sich nicht mehr als solche, wenn sie in der Nähe von Kabeln und dem Aluminiumgehäuse montiert ist. Am wichtigsten ist, dass in keiner der Richtungen die Signalstärke die maximal zulässigen Leistungsgrenzen (14 dBm oder 25 mW e.r.p.) überschritten hat.

Nachdem alle Emissionstests bestanden sind, sind wir nun zuversichtlich, die Produktion der ersten Serie von Eulen-Gewichtstrackern für das Schweizerische Institut für Vogelkunde (Vogelwarte Sempach) zu starten!