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Forum: HF, Funk und Felder Anpassnetzwerk - 50Ohm - λ/4 - CC1101 - 868Mhz


Autor: Raphael Reu (raphael)
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Hallo Community,

im Anhang befindet sich ein PDF File welches als Referenz zu meinen 
Fragestellungen dienen soll.

Kurzbeschreibung:
-----------------
Zum Funktransceiver CC1101 von TI (Nachfolger von CC1100), für das 
868Mhz ISM Band, gibt es ein Referenz-Design welches sich auf eine 50 
Ohm Antenne bezieht. Das Referenzdesign verwendet eine S331 88mm λ/4 
Antenne vom Antennenbauer Nearson. Wir möchten für unseren Prototypenbau 
eine preiswertere Lösung finden. Koax? Drahtstück?
Anfängerfragen:
--------------
Frage 1)
Warum überhaupt eine Antenne mit 50 Ohm Impedanz? Nur weil das genormt 
ist oder anderer Grund?
Frage 2)
Das im PDF Teil ersichtliche Anpassnetzwerk hat die Aufgabe die 
Schaltung an die Antennenimpedanz von 50 Ohm anzupassen um die in der 
Nachrichtentechnik bekannte Leistungsanpassung zu erzielen? Richtig?
Frage 3)
Weiters hat die Anpassschaltung die Aufgabe Blindleistungsanteile durch 
invertierenden Gegenanteil aufzuheben um rein ohmsch zu wirken!? 
Richtig?
Frage 4)
Wie kann man eine 88mm lange Antenne mit 50 Ohm Impedanz selbst bauen? 
Ein einfaches 50 Ohm Koax-Kabel auf 88mm abschneiden? Welche Durchmesser 
müsste das haben? Oder bin ich total auf dem falschen Weg?
Frage 5)
Wenn man das ganze mit einem doppelseitigen Layout erstellt, so soll die 
2 Seite sehr viel Massefläche haben, am besten mit Durchkontaktierungen 
bei jedem Bauteil welches mit Masse verbunden ist. Richtig?
Frage 6)
Lötet man die selbstgebastelte λ/4 Antenne dann einfach mit einem dicken 
Lötpatzen auf die Platine auf? Wie groß sollte der Lötpatzen sein? 1cm² 
2cm²?
Frage 7)
Muss auf der anderen Seite der Platine, unterhalb der Antenne, eine 
große Massefläche sein?
Frage 8)
Da bei 868Mhz die Leitungslängen auch bereits eine Rolle spielen, so 
kann ich die Antenne wohl nicht nach Lust und Laune platzieren!?
Angenommen 5cm vom CC1101 entfernt oder doch lieber 10cm?
Kurz: Was muss man bezüglich der Leitungslängen beachten?
Frage 9)
Was muss man bezüglich der Leitungsdicken beachten?

Entschuldigt die Anfängerfragen, jedoch Ihr könnt Euch vorstellen, wenn 
man soetwas zum ersten mal in der Praxis durchführt...
Vielen Danke für Eure Antworten
Raphael

PS:
Eigentlich könnte man Reichweiten von ca.200m erreichen. (Freifeld)
Mit 80 Metern sind wir auch schon zufrieden!
Indoor von einem Raum mit kleiner, dünner, nicht massiver Wand in den 
anderen und wir sind glücklich.
Das wichtigste ist die Funkkommunikation funktioniert auf kurze 
Distanzen.
Schade wäre nur, wenn das ganze so falsch von uns angegangen würde, 
sodass es überhaupt nicht funktioniert. Deswegen die Fragen an Euch 
Experten! Danke!

Autor: Martin Laabs (mla)
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Hallo,

> Wir möchten für unseren Prototypenbau
> eine preiswertere Lösung finden. Koax? Drahtstück?

Wenn es ungerichtet sein soll eine Groundplane mit drei oder vier 
Radials im Winkel von ca. 135° (genauen Wert bitte nachschlagen) ergibt 
eine Antenne mit 50Ohm Fußpunktimpedanz die unsymetrisch gespeist wird.

> Frage 1)
> Warum überhaupt eine Antenne mit 50 Ohm Impedanz? Nur weil das genormt
> ist oder anderer Grund?

Weil es ein guter Kompromiss zwischen allen technischen Parametern ist. 
Deswegen ist es zum Quasistandard geworden.

> Frage 2)
> Das im PDF Teil ersichtliche Anpassnetzwerk hat die Aufgabe die
> Schaltung an die Antennenimpedanz von 50 Ohm anzupassen um die in der
> Nachrichtentechnik bekannte Leistungsanpassung zu erzielen? Richtig?

Ja. Ausserdem filtert es noch die Oberwellen aus der PA. Und dann ist es 
auch noch ein diskreter Balun um das differentielle/symetrische Signal 
zu einem unsymetrischen zu machen.

> Frage 3)
> Weiters hat die Anpassschaltung die Aufgabe Blindleistungsanteile durch
> invertierenden Gegenanteil aufzuheben um rein ohmsch zu wirken!?

Ja. Auch das. Aber sicher auch eine Transformation des Realanteils der 
Ausgangsimpedanz. Die ist nämlich bei den üblichen FET-PAs niedriger als 
50 Ohm. Oft - hier aber nicht - auch zur DC Versorgung des 
Endstufentransistors.

> Frage 4)
> Wie kann man eine 88mm lange Antenne mit 50 Ohm Impedanz selbst bauen?

Siehe oben. Am Besten eine Groundplane oder eine (Bi) Quad wenn es 
gerichtet sein soll.

> Ein einfaches 50 Ohm Koax-Kabel auf 88mm abschneiden? Welche Durchmesser
> müsste das haben? Oder bin ich total auf dem falschen Weg?

Nein. So ein Monopol hat keine 50 Ohm Eingangsimpedanz.

> Frage 5)
> Wenn man das ganze mit einem doppelseitigen Layout erstellt, so soll die
> 2 Seite sehr viel Massefläche haben, am besten mit Durchkontaktierungen
> bei jedem Bauteil welches mit Masse verbunden ist. Richtig?

Ja. Idealerweise ausschließlich Massefläche. Fädeldraht ist besser als 
ein Schlitz in der Massefläche.

> Frage 6)
> Lötet man die selbstgebastelte λ/4 Antenne dann einfach mit einem dicken
> Lötpatzen auf die Platine auf? Wie groß sollte der Lötpatzen sein? 1cm²
> 2cm²?

Das ist bei der Frequenz noch relativ egal. Aber ich würde eine SMA 
Buchse empfehlen und von dort mit einem kurzen Kabel an die Antenne. 
Macht sich auch beim Messen am NWA besser.

> Frage 7)
> Muss auf der anderen Seite der Platine, unterhalb der Antenne, eine
> große Massefläche sein?

Das kommt auf die Antenne drauf an. Beantworten kann Dir das nur der 
Hersteller/Designer der Antenne. Bei den kleinen Keramikantennen ist es 
unterschiedlich aber im Datenblatt klar geregelt.

> Frage 8)
> Da bei 868Mhz die Leitungslängen auch bereits eine Rolle spielen, so
> kann ich die Antenne wohl nicht nach Lust und Laune platzieren!?

Na wo sind denn die Grundlagen? Wenn die Leitung korrekt 
(reflektionsfrei) abgeschlossen ist, spielt die Länge, von den Verlusten 
abgesehen, keine Rolle. Ansonsten transformiert man die Impedanz durch 
die Fehlanpassung. Ist die Leitung sehr kurz kann man das aber 
vernachlässigen.

> Was muss man bezüglich der Leitungsdicken beachten?

Wenn Du Microstrip-Leitungen meinst hast Du ja keine Wahl. Also die 17 
oder 35um in das Berechnungstool Deiner Wahl eingeben.

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Raphael Reu (raphael)
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Hallo Martin,

erstmal vielen Dank für Deine Antworten. Richtig sicher fühlt man sich 
erst mit Bestätigung und so wirklich sicher, wenn die Sache funktioniert 
und man einige Prototypen am Laufen hat. Was den HF Teil betrifft hab 
ich etwas Theorie und nun kommt die Praxis.
Ende dieser Woche müssen die Prototypen fertig sein, deshalb schalt die 
Mail-Benachrichtigung ein. Du scheinst zu wissen von was du sprichst :-)

Liebe Grüße
Raphael

Autor: Raphael Reu (raphael)
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So ein Monopol hat keine 50 Ohm. -> Ok, hab ich befürchtet :-)
1)
Nur aus Interesse: Wieviele Ohm hat so ein Monopol?
2)
Und nur fürs Gefühl, würde das dann schlecht gehen oder garnicht? (mit 
Monopol)
3)
Welche Möglichkeit ausser einer Groundplane würde es noch geben?
Denn die Groundplane mit ihren 4 Verzweigungen unten würde viel Platz 
benötigen. Was beim Prototypen kein Problem ist, aber später in einer 
industriellen Fertigung?
Schließlich liefert TI ihre RF-Module auch nicht mit einer Groundplane 
aus. TI baut das ganze in USB-Stick-Größe ohne Groundplane. (Ja 
vermutlich mit schlechterem Sende/Empfangsverhalten, aber wieviel 
schlechter in Prozent ca.?
Zusatz: Ich habe diese Groundplane-Technik bei der Internetrecherche 
eher bei größeren Systemen gesehen. Am Ende sollte das ganze annähernd 
USB-Stick größe haben. Ein Monopol nach oben würde in Frage kommen, aber 
Platz für eine Groundplane mit 4 weiteren Stäben in alle 
Himmelsrichtungen, das geht sich leider nicht aus.
Aber jetzt für den Prototypenbau darf es ruhig etwas mit größeren 
Dimensionen sein. Aber leider nicht Groundplane-Dimensionen.
4)
Microstrip wahrscheinlich. Und das wird nicht ganz so leicht sein nehm 
ich an, um als Unerfahrener auf einer 0815Platine eine 50 Ohm 
Microstripleitung zu schnitzen. Und wir haben bei uns in der Schule nur 
0815 Standard-Leiterplatten. Also das befürchte ich bekomm ich nicht hin 
in 1 Woche.
5)
Du hast geschrieben, ist die Leitung sehr kurz kann man das 
vernachlässigen. Sind 5cm sehr kurz? Ab wann ists nicht mehr sehr kurz?

Und als Abschlussfrage)
TI hat das Filter für 50 Ohm Antennenimpedanz dimensioniert, leider habe 
ich nicht die Mittel(das KnowHow) das Filter selbst für einen, sagen wir 
Monopol, zu dimensionieren.
Wie würdest du es machen Martin? Ist die Monopollösung unmöglich?

Danke für Deine Hilfe Martin
Raphael

Autor: Martin Laabs (mla)
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Hallo,

Raphael Reu schrieb:
> So ein Monopol hat keine 50 Ohm. -> Ok, hab ich befürchtet :-)
> 1)
> Nur aus Interesse: Wieviele Ohm hat so ein Monopol?

Theoretisch bei unendlich dünnem Leiter etwa 73 Ohm.

> 2)
> Und nur fürs Gefühl, würde das dann schlecht gehen oder garnicht? (mit
> Monopol)

Es geht sogar einigermaßen gut. Der Verlust liegt bei knapp 2dB.

> 3)
> Welche Möglichkeit ausser einer Groundplane würde es noch geben?

Fertige Antenne kaufen. Ggf. sogar welche die in Keramik mit hohem 
epsilon_r eingebettet sind. Die sind nämlich sehr schön klein.

> Was beim Prototypen kein Problem ist, aber später in einer
> industriellen Fertigung?

Wollt ihr es industriell fertigen? Ich denke eher nicht, so dass das 
kein Problem sein sollte.

> Schließlich liefert TI ihre RF-Module auch nicht mit einer Groundplane
> aus.

Ja - sollten sie aber vielleicht. Würde die Reichweite bestimmt 
vervielfachen.

> TI baut das ganze in USB-Stick-Größe ohne Groundplane. (Ja
> vermutlich mit schlechterem Sende/Empfangsverhalten, aber wieviel
> schlechter in Prozent ca.?

Prozent in was? In Feldstärke oder in Reichweite? Ich sag mal 50% oder 
schlechter.

> Am Ende sollte das ganze annähernd
> USB-Stick größe haben. Ein Monopol nach oben würde in Frage kommen, aber
> Platz für eine Groundplane mit 4 weiteren Stäben in alle
> Himmelsrichtungen, das geht sich leider nicht aus.

Für einen Monopol fehlt aber das Gegengewicht. Jedenfalls wird es sehr 
undefiniert sein. Also kauft euch eine kleine Keramikantenne.
Leute die das kommerziell machen entwerfen sich entsprechende verkürzte 
Antennen direkt auf der Platine. Dafür braucht man aber eine Menge 
Erfahrung und auch die geeigneten Entwurfs- und Simulationssysteme.

> Microstrip wahrscheinlich. Und das wird nicht ganz so leicht sein nehm
> ich an, um als Unerfahrener auf einer 0815Platine eine 50 Ohm
> Microstripleitung zu schnitzen.

Sie wird halt recht breit. Aber es geht schon. Wenn ihr kein 0.8mm 
dickes Material verwenden könnt, wäre auch eine Koplanarleitung 
überlegenswert. Ich benutzte zum Dimensionieren solcher Leitung w-calc. 
Gibts auch online als CGI Script.

> Du hast geschrieben, ist die Leitung sehr kurz kann man das
> vernachlässigen. Sind 5cm sehr kurz? Ab wann ists nicht mehr sehr kurz?

Man sagt oft lamda/10 aber das halte ich schon für zu lang. Ich würde 
mir ab lamda/15 Gedanken machen und bei kritischen Sachen nicht über 
lamda/20 gehen.

> Und als Abschlussfrage)
> TI hat das Filter für 50 Ohm Antennenimpedanz dimensioniert, leider habe
> ich nicht die Mittel(das KnowHow) das Filter selbst für einen, sagen wir
> Monopol, zu dimensionieren.

Dann solltet ihr aufpassen, dass der Filter - zur Not auch resistiv - an 
die 50 Ohm angepasst ist. Sonst verändert sich die Filtercharakteristik 
undefiniert.

> Wie würdest du es machen Martin? Ist die Monopollösung unmöglich?

Nein. Aber sie wird ineffizient und euch weit mehr als die halbe 
Reichweite gegenüber eines Dipols/GP-Antenne kosten. Siehe 
Funktastaturen usw.

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Raphael Reu (raphael)
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Danke abermals!

Ich muss nun mit meiner Freundin für eine Elektronik Digitaltechnik 
Klausur lernen und werd später weiter forschen!

THX Martin
Liebe Grüße
Raphael

Autor: Raphael Reu (raphael)
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Ja das gibts eh komfortabel zu kaufen :-)
Um Platz zu sparen und trotzdem eine ordentliche Lösung zu gewährleisten 
werden wir wohl auf eine 50 Ohm Keramik SMD Antenne ausweichen.
So passt das mit der 50 Ohm Impedanz und ich denke das ist wichtig!
Die Reichweite ansich ist momentan noch sekundär und kann zu einem 
späteren Zeitpunkt optimiert werden.

Vielen Dank Martin!
Du hast uns sehr geholfen!
Raphael

Autor: Raphael Reu (raphael)
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Haben nun über Mouser einige ANT-868-CHP-B von Linx Technologies 
bestellt.
Um somit eine korrekte 50 Ohm Anpassung zu realisieren.

Was sagst du zu dieser Chip Antenne?

Frequenz:     868 MHz
Bandbreite:   180 MHz
Verstärkung:   + 0.5 dBi
Klemmenart:     SMD/SMT
Verpackung:   Bulk
Abmessungen:   0.63 in L x 0.12 in W x 0.07 in H
Scheinwiderstand (Impedanz):   50 Ohms

Liebe Grüße
Raphael

Autor: Martin Laabs (mla)
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Raphael Reu schrieb:

[...]

> Was sagst du zu dieser Chip Antenne?

Gute Wahl.

Viele Grüße,
 Martin L.

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