SMD-Chip-Antenne PCB-Design

[Sebastian B. (sebastian_b837)]

Guten Abend,

Ich bin gerade dabei mein erstes PCB mit Chip-Antenne zu designen.
Final soll es ein kleines Sensorboard mit BLE auf Basis eines STM32 WB55 
werden.
Praktische Erfahrung habe ich aber noch gar keine mit dem Thema und bin 
mir folglich etwas unsicher.
ich weiß es gibt schon einige Einträge zu dem Thema und habe mir auch 
einige durchgelesen, aber ich würde mich freuen, wenn jemand mit Ahnung 
sich das nochmal explizit ansehen kann bevor ich es so bestelle.

Das Bild zeig noch ein paar andere Bauteile, aber relevant sind die 
RF-Leitung vom

- STM32WB55 (Pin 21)

in ein

- MLPF-WB55-01E3-Filter Network 
(https://www.st.com/en/wireless-connectivity/mlpf-wb55-01e3.html)

und die

- 2.4 GHz Chip-Antenne ANT016008LCS2442MA1 
(https://product.tdk.com/de/search/rf/rf/antenna/info?part_no=ANT016008LCS2442MA1)

oberhalb des Filters.

Den Antennenbereich habe ich so gut wie ich es nachvollziehen konnte 
nach  folgender Design Note und dem Datasheet aufgebaut: 
https://product.tdk.com/system/files/dam/doc/product/rf/rf/antenna/design_note/dn-ant016008lcs2442ma1.pdf

Jetzt ein paar Fragen, die sich mir stellen:
1) Meine Zuleitung vom STM32 in den MLPF hat schon die richtige Width 
für 50 Ohm bei meinem PCB-Hersteller und Stack. Sollten die Leiterbahnen 
zur SMD-Antenne in der Restrict-Area dann die selbe Stärke haben?

2) In den meisten Layouts habe ich gesehen, dass der Feed-Point zu 
Ground verbunden wird. Das habe ich aus anderen Foreneinträgen, in der 
Design Note konnte ich es nicht richtig erkennen. Habe ich das so 
richtig verbunden?

3) Neben der Antenne liegt eine 5 mm x 3 mm große Restrict-Area, in der 
sich auf keinem Layer Kupfer befindet. Gibt es da noch etwas zu 
Beachten? In Datenblatt wurden beispielsweise die 3 Vias in die von der 
"Radiator Electrode" wegführende Leiterbahn platziert. Was für einen 
Sinn sollen diese erfüllen, wenn nirgendwo anders Kupfer liegt?

4) Das GND-Via-Stiching um die Restricted Area habe ich selbst gemacht 
und war so nicht in der Design Note. Ist das in Ordnung so oder könnte 
ich damit unter Umständen der Effizienz sogar schaden?

5) Gibt es sonst noch Anregungen oder irgendwas was total falsch wirkt?

Vielen Dank für Rückmeldungen und nützliche Tipps! :)

[Simulant (Gast)]

Bei solchen Chipantennen ist die PCB-Größe und Anordnung auf dem absolut 
entscheidend. Beim Blick auf deinen PCB-Screenshot erkenne ich zu wenig 
um kommentieren zu können.

Bitte zeig mal ein Übersichtsbild des PCB incl. Abmessung und Anordnung 
der Chipantenne, mit nachvollziehbaren Beschriftungen.

[Simulant (Gast)]

Nachtrag: die HF-Signalleitung wird hier NICHT mit Ground verbunden!

Du hast so eine Masseanbindung vermutlich bei PCB F-Antennen gesehen, da 
ist die Masseverbindung ein Teil der Antenne (Impedanzanpassung).

[Jörg W. (dl8dtl) (Moderator)]

Sebastian B. schrieb:
> die richtige Width für 50 Ohm bei meinem PCB-Hersteller und Stack

Ist bei den kurzen Stücken (alle kleiner lambda/10) ziemlich unwichtig.

[Sebastian B. (sebastian_b837)]

Danke schon mal für die vielen Antworten.

Simulant schrieb:
> Bitte zeig mal ein Übersichtsbild des PCB incl. Abmessung und Anordnung
> der Chipantenne, mit nachvollziehbaren Beschriftungen.

Tatsächlich ist das Board mit 15 mm x 18 mm zu klein für die Antenne. 
Leider bin ich an die kompakte Boardgröße gebunden und habe keine 
Antenne gefunden, die gut für diese Fläche ausgelegt ist (Oder ich weiß 
nicht wo nach ich suchen muss).
Ich habe die Antenne letztendlich gewählt, weil sie auch im Sensortile 
von ST verbaut wird 
(https://www.st.com/en/evaluation-tools/steval-stlkt01v1.html#documentation).

Das bewegt sich mit 13.5 mm x 13.5 mm auch in ähnlichen Größenordnungen. 
hat das Chancen, dass da noch was durchkommt? Die Funkstreife wird 
später maximal 1 Meter lang sein, muss also nicht maximal effizient 
werden.


Simulant schrieb:
> Nachtrag: die HF-Signalleitung wird hier NICHT mit Ground verbunden!
>
> Du hast so eine Masseanbindung vermutlich bei PCB F-Antennen gesehen, da
> ist die Masseverbindung ein Teil der Antenne (Impedanzanpassung).

Hatte das in diesem Fall auch vom Sensortile-Layout. Die bieten 
Gerber-Files des Boards an (Screenshot). Dann verbinde ich jetzt das 
Signal direkt zum Feed Point. Können die Dummy Pads dann frei belegt 
werden oder muss sowas normal floating sein? Aus dem Datenblatt werde 
ich leider nicht schlau.

Jörg W. schrieb:
> Ist bei den kurzen Stücken (alle kleiner lambda/10) ziemlich unwichtig.

Top, dann sollte das ja schon passen. Danke.


Danke und schönen Abend :)

[Simulant (Gast)]

Hi Sebastian,

ok, bei der Ähnlichkeit erscheint es sinnvoll sich am Antennenlayout des 
Sensortile zu orientieren. Das Sensortile-Modul wird nach meinem 
Verständnis zwar noch auf ein größeres PCB montiert, dessen größere 
Masseflächen auch der Antennen zugute kommt, aber darauf wird man es 
ankommen lassen müssen.

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> Hatte das in diesem Fall auch vom Sensortile-Layout.
> Die bieten Gerber-Files des Boards an (Screenshot).

Die Massebrücke an der Antenne ist dann offenbar richtig. Nach meiner 
Erfahrung mit sowas muss man sich dann aber sehr exakt an die 
Layoutvorgaben halten, weil das eine genau definierte Induktivität 
darstellt von der HF-Zuleitung nach Masse. Also hier möglichst exakt vom 
Sensortile kopieren, Breiten wie auch Abstände zwischen HF-Zuleitung und 
GND und Viapositionen.

Bei den Leiterbreiten (Bild: Markierung 2,3) würde ich mich auch am 
Sensortile orientieren. Die berechnete Breite deiner Microstrip (über 
GND) ist im Bereich der Freistellung nicht relevant, also besser vom 
Sensortile übernehmen.

> Können die Dummy Pads dann frei belegt werden
> oder muss sowas normal floating sein?

Vergiss meinen Beitrag von gestern und kopier das Layout vom Sensortile, 
mit den genauen Breiten und Abständen.

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Bei deinem Filter ist noch ein Fehler im Layout, dort hast du den 
HF-Ausgang direkt mit GND verbunden, was an DIESER Stelle definitiv 
falsch ist. (Bild: Markierung 1)

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Die drei Vias (Markierung 3) sind rätselhaft, die haben mMn keine 
Funktion.

Viel Erfolg!
Volker

[Simulant (Gast)]

Nachtrag Bild mit Markierungen

[Sebastian B. (sebastian_b837)]

Vielen Dank für deine Tipps, bringt mich wirklich weiter.

Ich habe jetzt einfach mal versucht das Sensortile so gut es mein Layout 
zulässt zu reproduzieren. Ein paar Ground-Vias habe ich aus Platzgründen 
anders positionieren müssen. Ich hoffe es ist dann doch nicht so 
empfindlich.

Simulant schrieb:
> Bei deinem Filter ist noch ein Fehler im Layout, dort hast du den
> HF-Ausgang direkt mit GND verbunden, was an DIESER Stelle definitiv
> falsch ist. (Bild: Markierung 1)

Vielen Dank, das wäre mir tatsächlich durch gerutscht.

Ich denke ich lass das jetzt mal so ätzen und versuche es einfach. 
Vielleicht lass ich auch eine zweite Version ohne Masseverbindung der 
Feedline produzieren. Ich hoffe ich kriege eine Verbindung, perfekt muss 
es ja nicht werden.

Danke und ein schönes Wochenende!

[Wolfgang (Gast)]

Sebastian B. schrieb:
> Ich denke ich lass das jetzt mal so ätzen und versuche es einfach.

Um zu beurteilen, wie gut das passt, müsstest du mit passender 
Messtechnik ran (VNA, Smith-Diagramm vom Sender aus gesehen), obwohl das 
vielleicht übertrieben ist, wenn schon für die ANT016008LCS2442MA1 das 
VSWR bis 3 hochgehen darf.

[Sebastian B. (sebastian_b837)]

Hallo nochmal in die Runde.

Falls in Zukunft hier nochmal jemand vorbei kommt und sich interessiert:
Ich habe jetzt meine Boards bekommen, bestückt und es hat geklappt!
Die Reichweite ist mit 2-3 Meter zwar nicht so berauschend, aber für 
meine Zwecke erst mal ausreichend.
Ein Bekannter möchte mir noch helfen die Antenne mit einem Network 
Analyzer durchzumessen, dann kann ich vielleicht nochmal ein paar 
genauere Daten bezüglich Performance hier teilen oder die Reichweite 
durch Matching etwas erhöhen.

Danke nochmal an alle und viele Grüße.