Forum: HF, Funk und Felder Inverted F Antenne in Vergussmasse optimieren


von N. K. (bennjo)


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Hallo allerseits,

ich habe eine 2.4GHz IFA auf einem PCB, welches mit einer 2K 
Elektronik-Vergussmasse eingegossen wird. Diese verändert die 
Antennencharakteristik natürlich stark.

Ich muss Antenne + Parallelinduktivität erheblich kürzen um auf Resonanz 
zu kommen und die Anpassung einigermaßen hin zu biegen. Hiefür löte ich 
ein Rigid Coax an den Speisepunkt, trenne den Rest der Schaltung ab und 
vergieße das ganze... Das habe ich jetzt ca. 15 Itterationen gemacht.

Jetzt habe ich zwar wieder -20db @ 2.4Ghz S11 und auch das Smithdiagram 
sieht gut aus... Ich frage mich allerdings ob die Verkleinerung die 
Performance der Antenne negativ beieinflusst. Immerhin deckt sie jetzt 
deutlich weniger Fläche der Wellenfront ab und ist von einem Material 
umgeben, dass deutlich stärker dämpfen dürfte als Luft...

Kann mich hier jemand über die praxisrelevanten Aspekte aufklären? 
Müsste ja in Richtung Effizienz und Apertur gehen oder?

Gewagte These: Kann man sich vorstellen, dass sich die E-Wellen bei 
höherem epsilonR konzentrieren - ähnlich einem Ferrit für M-Wellen? 
Daher die Größe der Antenne auf die Welle quasi gleich ist?

Gruß,
Nikias

von Martin0815 (Gast)


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Hallo Nikias,

Interessantes Projekt an dem du da arbeitest. Ich hab leider selber 
keine praktischen Erfahrungen mit dem von dir geschilderten Problem 
jedoch hab ich mal ziemlich viel Zeit mit der Simulation von IFAs 
verbracht.

Du solltest dir bewusst sein, eine gute Anpassung allein bedeutet noch 
nicht, dass deine Antenne auch gut abstrahlt vielleicht hast du auch nur 
einen 50 Ohm Abschlusswiederstand gebaut. Finde raus wie hoch der 
Verlustfaktor deines Verguss-Materials ist daran kannst du erkennen ob 
du ein Chance hast eine gute Antenne zu bauen.

Normalerweise ist es nicht möglich bei IFAs einfach nur den offenen Arm 
zu kürzen und dadurch den Frequenzbereich anzupassen.

Grüße Martin

von Purzel H. (hacky)


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>2K Elektronik-Vergussmasse

Muss nicht zwingend gut sein, denn Epoxy zB hat bei 
Mikrowellenfrequenzen beliebig hohe dielektrische Verluste

Falls nicht, wird die Wellenlaenge um wurzel-epsilon verkuerzt.

: Bearbeitet durch User
von asd (Gast)


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Du hast doch einen NWA? Dann hänge an Port 1 eine beliebige 2,4GHz 
Antenne und fixieren deren Position (Schraubstock o.ä.). Dann an Port 2 
deine Antenne, fixe Position, einmal die Variante mit und einmal ohne 
Vergussmasse -> S21 Messung.
Alternativ hänge dein HF-Modul abwechselnd an beide Antennen und messe 
die Feldstärke an einem Empfangsmodul.

von N. K. (bennjo)


Angehängte Dateien:

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@Martin0815: Kannst du das Thema Frequenzanpassung der IFA und weitere 
notwendigen Änderungen genauer ausführen? Habe dazu recht wenig in der 
Literatur gefunden. Daher habe ich eher empirisch die Induktivität 
(oberer Zweig des F) auch angepasst um insgesamt im Smithdiagramm wieder 
ca. bei 1 rauszukommen. Aber die Theorie hinter der Dimensionierung 
erschließt sich für mich offen gestanden nicht über das hier gesagte 
hinaus: http://www.antenna-theory.com/antennas/aperture/ifa.php.

@hacky: Die Vergussmasse ist nicht verhandelbar. Ich habe mal ein 
Datenblatt davon angehängt. epsilonR = 3,5 tanDelta = 0,04 - allerdings 
nur bei max. 1MHz angegeben. Kannst du mir einen Tip bezüglich einem 
Versuchsaufbau der Materialeigenschaften zur Messung bei 2.4GHz geben?

@asd: Klar - Equipment habe ich alles zur Verfügung: VNWA, Messsender, 
Spectrum-Analyzer, Power-Meter. Es geht mir eher um die Theoretische 
Überlegung. Das Problem ist bei so einer Messung in der Praxis das Setup 
wirklich genau identisch hinzubekommen - allein schon wegen dem Auflöten 
des Rigig-Coax. Da machen kleinste Variationen im Testaufbau mehr aus, 
als die Vergussmasse.

Gruß,
Nikias

von asd (Gast)


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> das Setup
> wirklich genau identisch hinzubekommen - allein schon wegen dem Auflöten
> des Rigig-Coax. Da machen kleinste Variationen im Testaufbau mehr aus,
> als die Vergussmasse.

Naja, wenn die Vergussmasse so wenig aus macht, dann ist es ja kein 
Problem. Wenn du die DUT-Antenne an die selbe Stelle bringst und weniger 
als 5dB Änderung zwischen den Antennen siehst ist der Effekt ja 
tolerierbar.
Wenn du dann die erste Antenne nach der Messung noch einmal in Stellung 
bringst und mehr als 5dB Abweichung zur ersten Messung siehst - dann 
solltest du das Labor Leuten überlassen die keine zwei linken Hände 
haben ;-)

von N. K. (bennjo)


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@ASD: Eigentlich habe ich nicht unbedingt zwei linke Hände. Bei 2.4GHz 
ist das mit dem Versuchsaufbau aus meiner Sicht nicht so trivial. Das 
Problem ist, dass ich in der Schaltung nicht viel Platz habe. Das ganze 
Board ist nur 3x4cm groß. Wenn ich da ein Rigid-Coax 0,5mm seitlich 
verschoben anlöte, verändert das die Richtwirkung der Antenne. Das 
eingießen mit der Vergussmasse macht es auch nicht wirklich einfacher.

Eigentlich geht es mir ja eher um die Frage wie das Anpassen - sprich 
verkleinern - der Antennengeometrie die Funk-Performance der Antenne 
beeinflusst.

Ich denke es könnte irgendwann Sinnvoll sein, von der "kleinen" IFA zur 
nächst größeren Bauform z.B. "Folded Dipole" zu gehen, weil die 
Vergussmasse die Antenne so schrumpfen lässt, dass diese aufs Board 
passt. Da diese Bauform dann schlicht größer ist, erhoffe ich mir eine 
größere effektive Antennenfläche bzw. "Apertur". Kann das jemand 
bestätigen?

Gruß,
Nikias

: Bearbeitet durch User
von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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N. K. schrieb:
> Da diese Bauform dann schlicht größer ist, erhoffe ich mir eine größere
> effektive Antennenfläche bzw. "Apertur".

Nicht nur das: da der Faltdipol eine symmetrische Antenne ist, ist
er nicht mehr (so extrem) abhängig von irgendwelchen
Erdungsverhältnissen wie eine Monopol-Antenne.  Allerdings musst du
natürlich dafür die symmetrische Ansteuerung hinbekommen.

von Heinz Wäscher (Gast)


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Jörg Wunsch schrieb:
> Nicht nur das: da der Faltdipol eine symmetrische Antenne ist, ist
> er nicht mehr (so extrem) abhängig von irgendwelchen
> Erdungsverhältnissen wie eine Monopol-Antenne.

Bei 2,4 GHz (ca 12cm Wellenlänge) spielen Erdungsverhältnisse überhaupt 
keine Rolle.

von HF-Werkler (Gast)


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Hallo,
Zur Antenne: LambdaHalbe liegt ja bei 2.4GHz bereits bei 6cm ohne 
Verkürzung. Daher wird die unvermeidliche ansteuernde Schaltung immer 
das Diagramm verbiegen. Und ja, dielektrische Antennen (Linsenwirkung) 
gibt es jedoch können an der Grenzflächen (wie bei Glas) entsprechende 
Effekte  auftreten, die die Effizienz zusätzlich zu den dielektrichen 
Verlusten verringern. weiterhin sind solche Antennenelemente dann 
mindestens mehrere Lambda gross.

Die Vergussmasse ist bei 2.4GHz meist eher nicht "transparent". Die 
Verluste des Dielektrikums kann man mit einfache Mitteln abschätzen.

Gruss

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Heinz Wäscher schrieb:
> Bei 2,4 GHz (ca 12cm Wellenlänge) spielen Erdungsverhältnisse überhaupt
> keine Rolle.

Ein Monopol braucht immer eine Erdfläche von lambda/2 Durchmesser
unter sich.  Eine F-Antenne ist ein Monopol.

von N. K. (bennjo)


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@dl8dtl: Der "Folded Dipole" hätte weiterhin den großen Vorteil, dass 
ich keinen BALUN mehr brauche. Mein IC hat einen symetrischen Ausgang. 
Mein bisheriges Problem ist allerdings, dass ich keine Erfahrung und 
Equipment für symetrische Antennen habe. Wie wird sowas in der Praxis 
dimensioniert + optimiert?

@Heinz: Natürlich spielt der "Gegenpol" eine erheblich Rolle bei der 
IFA. Dieser besteht bei mir aus einer (zu kleinen) Groundplane + 
aufgelöteter Lithium-Zelle. Die Abstimmung der Antenne geht nur unter 
deren Rücksichtnahme. Das ist übrigends der Grund, weshalb ich mit 
Simulationen in der Praxis irgendwie auf keinen grünen Zweig komme. Bei 
unendlichen GND-Planes ist das ja alles ganz schön, aber unter realen 
Umgebungsbedingungen komme ich bisher immer nur mit dem Skalpell + 
Rigid-Coax + VNWA zu ordentlichen Antennen.

@HW-Werkler: Kannst du mir einen Tip in Richtung "Verluste des 
Dielektrikums kann man mit einfache Mitteln abschätzen" geben? Wäre dir 
sehr Dankbar.

Gruß,
Nikias

: Bearbeitet durch User
von HF-Werkler (Gast)


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N. K. schrieb:
> @HW-Werkler: Kannst du mir einen Tip in Richtung "Verluste des
> Dielektrikums kann man mit einfache Mitteln abschätzen" geben?

Dazu braucht es:
- Ein (kontaktloses) IR-Thermometer (z.B. Basetech Mini 1)
- Ein oder zwei Referenobjekte bekanntem Materials und definierter 
Grösse
- Eine Probe des zu untersuchenden Materials (möglichst gleicher Grösse)
- Eine Mikrowelle (arbeitet bei 2.4GHz)

Den Rest kann jeder durch Nachdenken erraten. ;-)

Ich empfehle mit wenigen Sekunden zu beginnen. 700W HF können viel 
Verlustleistung in Form von Wärme/Hitze hinterlassen!

von HF-Werkler (Gast)


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Achja: Niemals Metallteile (auch Schaltungen, selbst wenn vergossen) in 
die Mikrowelle legen!

von Martin0815 (Gast)


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Hallo Nikias,
grundsätzlich steht in dem Artikel den du verlinkt hast alles Wichtige 
zum Verständnis der IFA an sich.
Da du aber eine konkrete Anwendung hast, musst du die genauen 
Dimensionen wohl empirisch ermitteln. Eine Simulation ist da auch nichts 
anderes nur ohne sich die Hände schmutzig zu machen.
Wenn ich dich richtig verstanden habe funktioniert deine Antenne, sonst 
könntest du auf der Gegenseite nichts empfangen.
Die Optimierung würde alle geometrischen Größen also:
Breiten, Höhe, Position der Speisung, Länge des Arms usw. beinhalten
Auch stellt sich die Frage nach Zielen also Parameter wie:
Bandbreite, Gewinn, Pattern, usw…
Auch kann ich nicht abschätzen, wie viel Aufwand du betreiben willst.
Grüße Martin

von Heinz Wäscher (Gast)


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Jörg Wunsch schrieb:
> Ein Monopol braucht immer eine Erdfläche von lambda/2 Durchmesser
> unter sich.  Eine F-Antenne ist ein Monopol

Ein Monopol braucht eine gut leitfähige Ebene als elektrischen Spiegel 
unter sich aber keine ERDFLÄCHE. Sonst würde man nicht von einem 
Satelliten aus dem Weltraum senden und empfangen können.

Der Durchmesser dieser Potentialebene muss auch nicht lambda/2 betragen. 
Insbesondere größere Flächen sind genauso geeignet oder besser.

Es ginge übrigens auch vom Mars mit Marsfläche anstatt Erdfläche, 
solange der Mars um den Monopol gut leitet.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Heinz Wäscher schrieb:
> aber keine ERDFLÄCHE

Wortklauberei.  Heißt bei dir eine Groundplane-Antenne nur dann so,
wenn sie tatsächlich direkt auf der „Erd“oberfläche montiert wird?

Ich hatte es als selbstverständlich angesehen, dass diese Fläche die
HF-mäßige „Erde“ meint und nicht etwa den PE deiner
Niederspannungsverkabelung.  (Nikias hat das auch ganz offensichtlich
so aufgefasst.)

Ja, dass sie auch größer sein kann, ist logisch.  Ich hatte nach dem
Absenden des Beitrags noch überlegt, ob ich ihn editiere und da das
Wort „mindestens“ reinschreibe, aber dann drauf verzichtet.

: Bearbeitet durch Moderator
von Heinz Wäscher (Gast)


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Jörg Wunsch schrieb:
> Ich hatte nach dem Absenden des Beitrags noch überlegt, ob ich ihn
> editiere und da das
> Wort „mindestens“ reinschreibe, aber dann drauf verzichtet.

Dann betreiben wir doch noch etwas mehr "Wortklauberei"

Denn auch das Wort "mindestens" wäre nicht unbedingt richtig.
Im Gegensatz zu Radials bei einem Lambda/4 Monopol (landläufig: 
Groundplane Antenne), die etwa Lambda/2 im Durchmesser (lamda/4 je 
Radial) haben, gilt das nicht generell für eine Potentialebene unter 
einer Monopolantenne. Es gilt, dass die leitfähige Fläche über das Feld 
den gleichen Strom wie der Strahler aufnehmen muss. Eine resonante 
Abmessung des Durchmessers der Fläche ist nicht zwingend erforderlich 
und auch die geometrische Form, ob rund oder eckig, ist wenig 
maßgeblich. Außerdem hängen die Anforderungen an die Potentialebene 
unter einem Monopol unter anderem auch von der Ausführung des Monopols 
ab. Ein Lambda/4 Monopol verhält sich anders als ein lambda/2 oder ein 
Lambda 5/8 Monopol.

von N. K. (bennjo)


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@HF-Werkler: Vielen Dank für den Tip. Ca 10g des Materials erwärmen sich 
bei 20s in der 700W Mikrowelle um ca. 20°C. Die spezifische 
Wärmekapazität ist leider nicht bekannt. Aus meiner Sicht ist das ein 
eher gutes Ergebnis - kurze Vergleichstests mit POM (hatte ich gerade 
da) ergeben, dass POM deutlich mehr Energie aufnimmt.

@Martin0815: ja klar - die Antenne funktioniert grundsätzlich. Nur dass 
ich eben versuche zu optimieren. Der "Arm" der IFA ist jetzt nur noch 
11mm lang  und ich frage mich dabei, ob das ziemlich extreme Kürzen der 
Antenne um auf Resonanz zu kommen, nicht auch einen negativen Einfluss 
auf die Effizienz hat.

Ich habe jetzt nochmal S21 Vergleichs-Tests mit dem Networkanalyzer und 
einer Patchantenne als Empfänger gemacht. Die gekürzte Variante bringt
* im Vergleich zur ursprünglichen Variante etwa 3dB mehr
* im Vergleich zu einer labmda/2 ca. 3dB weniger
an die Empfangsantenne.

Ich denke damit gebe ich mich zufrieden und merke mir: 
Anpassung+Resonanz sind natürlich wichtiger als Flächen-Ausdehnung der 
Antenne...

Gruß,
Nikias

: Bearbeitet durch User
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