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Forum: HF, Funk und Felder Bluetooth Antenne auf PCB mit Via


Autor: St (Gast)
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Hallo,

Ich arbeite an einem Gerät welches am Körper getragen wird. Das ganze
kommuniziert via Bluetooth mit einem PDA - den man möglichst nah mit 
sich
trägt da auch GPS verwendet wird.

Auf der Platine im Gerät sollte nun die Antenne für das BT-Modul
integriert sein.

Ich habe nun natürlich versucht die Antenne möglichst nah am BT-Modul,
ohne Vias und mit möglichst viel platz um die Antenne herum
zu konstruieren... mehr oder minder erfolgreich (siehe Anhang).

Meine Frage ist nun, ob ich mit diesem Aufbau 2-3m (Versuchsleiter läuft
u.U. nebenher und bedient PDA) idealerweise schaffe? Womit kann ich
realistisch rechnen? Wenn ich etwas ändere, was würde am ehsten Sinn
machen?

Verwendetes Bluetooth Modul ist BTM-112 gekauft bei CSD-Electronics.

MfG St

: Gesperrt durch Moderator
Autor: Chrissi1980 (Gast)
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Also wenn ich das richtig sehe hast du als Antenne nur dieses kurze 
Leiterstück, das bemaßt ist, oder? Soll in etwa ein Lambda/4 Monopol 
sein? Hast du da in der Gegend auch eine größere Massefläche vorgesehen? 
In etwa ab der Bohrung abwärts über die gesamte Breite der Antenne 
(lieber etwas breiter)wäre ganz ok.
Das Modul kenne ich jetzt nicht, aber falls es für den Anschluss einer 
50 Ohm Antenne ausgelegt ist wirst du denke ich nicht um ein 
Anpassnetzwerk kommen. Und du müßtest die Antenne vorher mal mit einem 
Networkanalyzer vermessen, damit die Impedanz bekannt ist.

Eine bessere Lösung ist denke ich ein F-Antenne, die würde auch gute 
Anpassung an 50 Ohm bieten. Habe ich für 2,45 GHz auch schonmal benutzt, 
funktioniert sehr gut. Von den Abmessungen ändert sich auch nicht viel. 
Wie immer bei PCB Antennen muss man beachten welches Substrat man 
verwendet und zumindest die Dielektrizitätskonstante entsprechend 
berücksichtigen.

Zur Reichweite: Hängt stark davon ab wie gut die Anpassung ist, also 
auch sehr  wie die Massefläche angeordnet ist. Also zur F-Antenne kann 
ich sagen, dass 10m Reichweite bei 0 dbm kein Problem sind, zumindest 
ohne größere Hindernisse (Wände usw.) und das mit nahezu 
Rundstrahlcharakteristik.

Hoffe das hilft etwas weiter.

Autor: St (Gast)
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>Also wenn ich das richtig sehe hast du als Antenne nur dieses kurze
>Leiterstück, das bemaßt ist, oder? Soll in etwa ein Lambda/4 Monopol
>sein? Hast du da in der Gegend auch eine größere Massefläche vorgesehen?

Danke für deine Antwort Chrissi.

Ja das Leiterstück ist bemaßt. Sollen 3.1mm Antennenlänge sein bei
2,6..mm Breite für Standard FR4 Material. So sollen rechnerisch 50Ohm
rauskommen.
Von allem was ich gelesen habe, sollen auf der Rückseite und um die 
Antenne
herum möglichst keine Masseflächen sein. Ich dächte das dämpft das 
Signal
ab?

Ich schau mir mal die F-Antennen an. Ich hab sowas noch nie gemacht.

Autor: Chrissi1980 (Gast)
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Oh achso 2,6mm, da hab ich nicht genau geschaut, Lambda/4 mit etwas 
Verkürzung durch das Substrat müßten in etwa bei 26mm liegen. Vielleicht 
auch ein Tippfehler bei dir ? Der Quarz und die anderen Teile sind ja 
vermutlich auch nicht so extrem klein, dann passt es von den Relationen.

Das mit der Massefläche stimmt teilweise. Auf der Rückseite der 
Leiterplatte sollte keine Masse sein wo die Antenne ist. Aber unterhalb 
der Antenne, also in etwa da wo die Bohrung ist sollte schon noch so 
5-10 mm Massefläche sein. Kannst du dir so vorstellen, du nimmst einen 
gewöhnlichen Monopol, der benötigt ja auch eine Massefläche und dann 
knickst du ihn kurz oberhalb der Massefläche um 90° ab. Wenn du jetzt 
einen Schnitt durch die Anordnung betrachtest dann hast du das was auf 
die Leiterplatte sollte. Nur dass das was normalerweise die 
Materialdicke deiner Massefläche ist etwas breiter sein sollte, da du 
nur eine 2D Struktur hast.

Achja, die Zuleitung zu deiner Antenne sieht etwas schmal aus, da mußt 
du darauf achten, dass sie 50 Ohm hat.

Autor: St (Gast)
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> Oh achso 2,6mm, da hab ich nicht genau geschaut, Lambda/4 mit etwas
> Verkürzung durch das Substrat müßten in etwa bei 26mm liegen. Vielleicht
> auch ein Tippfehler bei dir ? Der Quarz und die anderen Teile sind ja
> vermutlich auch nicht so extrem klein, dann passt es von den Relationen.

Ja das sind bei mir 26mm.


Das mit der Massefläche hab ich oft gesehn. Dh. die Zuführung hat auch
idealerweise auch eine Breite von 26mm, unterscheidet sich von der
Antenne dann darurch das sie von Massefläche umgeben ist und dessen
länge erstmal egal ist? Dann kann ich mir das in etwa vorstellen.

Die breite von 26mm für die Zuleitung - um auf 50Ohm
zu kommen - wird etwas schwierig.

Hast du zufällig weiterführende Literaturempfehlungen?

Vielen dank nochmal.

MfG St

Autor: Chrissi1980 (Gast)
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Ja für FR4 mit 1,5mm Dicke sollte die Microstrip Leitung etwa 2,8mm 
Breite haben. Dann muss die Masse aber schon mind. 2-3mm entfernt sein. 
Wenn du den Abstand zwischen Masse und Leiter nun geringer machst wird 
die Leitung auch schmäler, z.B. 1mm Leiterbreite bei einem Abstand zur 
Massefläche von 200um. Die Frage ist halt nur was du noch fertigen 
kannst, und wie genau, falls du die Leiterplatte selbst ätzt, ansonsten 
mußt du schauen was der Hersteller kann und mit welchen Toleranzen (so 
200 oder 300um müßten noch gut gehen).
Kann dir für die Leitungsberechnung TXLine empfehlen, das kannst du hier 
runterladen und mal ein wenig rumspielen

http://web.awrcorp.com/Products/Microwave_Office/F...

... für FR4 würde ich bei der Frequenz ein Epsilon_R von 4,5 benutzen 
und ein tan_delta von 0,02. Die Leitung, die auf der Oberseite auch eine 
Massefläche besitzt, heißt in dem Programm CPW Ground.


Die Leitungslänge ist theoretisch nicht so kritisch (dämpft nur etwas 
das Signal), ich würde aber trotzdem schauen, dass der BT-Transceiver 
Chip möglichst nah an der Antenne sitzt, dann sind Toleranzen in der 
Leitungsimpedanz (je nach Hersteller bis zu 20% !!) nicht so kritisch. 
Und bei so geringen Leistungen sollte man auch keine dB verschenken, 
auch keine zehntel dB.


Du solltest auf jeden Fall noch einige Durchkontaktierungen setzen, 
zumindest unterhalb der Antenne und entlang der Leitung(en). Ein paar 
verstreut auf der Leiterplatte werden auch nicht schaden. Da kommt auch 
noch GPS drauf oder? Keramische Patch-Antenne? Unter dem Patch und 
drumherum sind auf jeden Fall auch noch Durchkontaktierungen nötig. Ich 
würde empfehlen die Leiterplatte fertigen zu lassen, ein paar hundert 
Durchkontaktierungen machen keinen Spaß von Hand :-)


Nach Literatur kann ich mal schauen, ich hab da glaub noch was, bin aber 
erst morgen oder übermorgen wieder zuhause. Die Simulation für die 
F-Antenne bzw. die Maße kann ich dir evtl. auch mal schicken.

Autor: St (Gast)
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Hey super, du hast mir echt geholfen!

Die Platine wird gefertigt. Durchkontaktierungen hab ich auch schonmal
gesehn, mir aber nichts dabei gedacht ... warum macht man das?

Das GPS Modul ist im PDA. Da die software noch ein bischen mehr macht +
GUI muss ich mir wegen GPS (weil im PDA) keine gedanken machen.

Bin jetzt über das Design Note DN007 von ChipCon gestolpert in der
ausgiebig ein F-Antenna Design ausgefürht ist.
Ich denke ich werde das für die nächste Board revision aufsparen,
ich das dann besser berücksichtigen kann.


---------
Wenn du den Abstand zwischen Masse und Leiter nun geringer machst wird
die Leitung auch schmäler, z.B. 1mm Leiterbreite bei einem Abstand zur
Massefläche von 200um.
---------

Danke! Ich versuch mal einen Kompromiss zu finden. Ich hab hier QUCS,
damit scheint das zu gehen. Hab kein Windows hier.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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St wrote:

> Hab kein Windows hier.

Ich auch nicht, aber zur Ehrenrettung der genannten Software kann ich
dir sagen, dass sie anstandslos in Wine läuft.  Kein grässlicher (und
abstürzendes) Installshield, sondern einfach ein Zipfile mit drei
Dateien, ausgewickelt, das .exe mit Wine gestartet -- und es geht.

Autor: St (Gast)
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Ah danke gut zu wissen.  Nur leider auch noch 64-Bit hier ;)

QUCS kanns aber auch, siehe Anhang.
Optimale Werte für S bei kleinem W hab ich nochnicht gefunden
aber ich bewege mich in die Richtung.

MfG St

Autor: St (Gast)
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Nur blöd wenn ich auchnoch eine Anpassung bräuchte
(wenn ich Even und Odd Mode Z0 richtig interpretiere).

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Danke, QUCS sieht interessant aus!  Kannte ich noch gar nicht.

Autor: St (Gast)
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Ja das Simulationsbackend is von irgend einem HF Prof aus Berlin,
wenn ich das richtig gesehn hab.
Dazu gibt auf der Seite irgendwo noch sein Script/Formelsammlung.

Echt beeindruckend was die Jungs da machen. Verlilog und VHDL
support is drin und man kann auch SPICE bauteile laden.

Autor: Dirk (Gast)
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Hi !

Für die Zuleitung zur Antenne brauchst Du eine Leitung mit 50 Ohm 
Impedanz. Wenn Du Microstrip verwenden möchtest (Rückseite der Zuleitung 
GND) kannst Du als Daumenregel für FR4 und 50 Ohm annehmen, daß die 
Leitung doppelt so breit sein sollte wie Deine Substratdicke. Also für 
1.5mm Substrat 3mm für dünneres Substrat entsprechend dünner.

Vias haben immer eine Serieniduktivität bei Deinem dicken Substrat fällt 
das schon ins Gewicht, Du solltest wenigstens 2 parallele Vias verwenden 
um Deine Zuleitung zu Antenne anzuschließen.

Eine inv. F-Antenne zu verwenden hat auch noch den Charme, daß 
Oberwellen bedämpft werden. Die Problematik der 50 Ohm Speisezuleitung 
bleibt natürlich.

Grüße

Dirk

Autor: Herbert (Gast)
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Zur Reichweite: Hängt stark davon ab wie gut die Anpassung ist, also
auch sehr  wie die Massefläche angeordnet ist. Also zur F-Antenne kann
ich sagen, dass 10m Reichweite bei 0 dbm kein Problem sind, zumindest
ohne größere Hindernisse (Wände usw.) und das mit nahezu
Rundstrahlcharakteristik.



Glaube ich nicht.

Autor: St (Gast)
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Okay, das Via hab ich eliminiert und das Vereinslogo hinten auf
die Platine verschoben. Das sollte vorher auf die Vorderseite
über der Antenne (allerdings nicht auf GND).
Damit müss der Cheffe leben ;)

Für die Zuleitung als Microstrip hat mir QUCS 0.6438mm ausgegeben.
Das ganze nochmal im Anhang. GND Auf der Rückseite (BLAU) fehlt da noch.

Es fehlen also noch der Bend mit Mitter zum Modul , GND auf der
Rückseite.

Autor: St (Gast)
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Dirk, du hast natürlich recht. 2.81926mm mit FR4. Vielen dank.

Autor: St (Gast)
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Okay, aktueller Stand.

Ich hab eine F-Antenne im Eagle User Verzeichnis gefunden.
Ich hoffe die ist richtig bemessen.

ftp://ftp.cadsoft.de/eagle/userfiles/libraries/bluegiga.lbr

Zuleitung ist 2.81926mm, das kleine Stück zur Masse auch..

Masse flächen sind durch Vias verbunden.
GND ist unter dem Antennenanschluss (Das Via, sieht man jedoch nicht).

Eingaben?

Autor: Dirk (Gast)
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Das Via an der Masse der F-Antte sollte direkt am Fußpunkt sitzen, bei 
Dir ist es noch ein Stück weg. Du hast den Ausgang vom Modul direkt auf 
die Antenne geroutet. Das geht nur gut, wenn auf dem Modul ein 
Koppelkondensator vorgesehen ist. Sicherheitshalber nochmal ins 
Datenblatt schauen.


Dirk

Autor: St (Gast)
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@Dirk

Ja das Modul hat ein Balun und ein bandpass-filter vor der Antenne
bzw. dem Antennen Ein-/Ausgang.

Eagle will leider nicht so wie ich mit den Ratsnests. Der
schneidet mit am F-Antennen GND Terminal immer eine Kerbe
ins Ratsnest, um den Fußpunkt herum... ich spiel mal weiter.

Danke für den Hinweis.

Autor: St (Gast)
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Update.

Hey für einen Informatiker in Spee der sonst nichts mit Elektronik zu
tun hat stelle ich mich doch garnicht so blöd an ;)

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Was hat das Waschmittel damit zu tun? :-) <SCNR>

Autor: St (Gast)
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;)

Stimmt, 'in Spe'. Danke nochmal für eure Hilfe leute!

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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St wrote:

> Für die Zuleitung als Microstrip hat mir QUCS 0.6438mm ausgegeben.

Ich habe mir QUCS inzwischen auch mal installiert.  Außer dass ich
die Qt-UIs irgendwie eher klobig finde (im Vergleich bspw. zu GTK-UIs),
macht das Teil ja einen netten Eindruck.

Wärst du denn gewillt, mir das von dir benutzte Modell/Projekt/was auch
immer für die Striplines zur Verfügung zu stellen?

Autor: St (Gast)
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Hallo,

Die F-Antenne hab ich nicht mehr simuliert. Die hab ich wie geschrieben
aus der EAGLE User Bibliothek.
Die Zuleitung hab ich mit dem Line Calculator berechnet unter Tools
im Hauptmenü.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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St wrote:

> Die F-Antenne hab ich nicht mehr simuliert.

Ja, das wäre ja auch eher ein Fall für NEC denn für etwas Spice-
ähnliches...

> Die Zuleitung hab ich mit dem Line Calculator berechnet unter Tools
> im Hauptmenü.

Ah, gut, jetzt hab' ich's auch gefunden.  Kann zwar nicht ganz so viel
wie das TXLine-Teil, aber vielleicht kann man ihm den Rest ja mal
beibringen.

Danke!

Autor: Chrissi1811 (Gast)
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Habe inzwischen die Simulation meiner F-Antenne gefunden. Im Anhang 
kannst du die Maße ablesen. Das Rechteck am Speisepunkt braucht dich 
nicht verwundern, das ist nur für die Simulation so, hier gehört dann 
die Microstrip Leitung dran.

Anpassung: 2,35..2,65 GHz besser 10dB

Die Antenne wurde mit diesen Maßen getestet und so eingesetzt und 
liefert gute Performance.





Das Design aus Eagle sieht soweit ganz gut aus, ich würde aber auch 
obehalb der Speiseleitung noch eine Durchkontaktierung setzen.

Durchkontaktierungen sind nötig um zwischen Masse auf der Ober- und 
Unterseite das gleiche (HF) Potential herzustellen. Das ist bei den CPW 
Ground Leitungen besonders wichtig, da sie nur richtig "funktionieren" 
wenn beide Masseflächen das gleiche HF-Potential besitzen.
Eine Massefläche ohne Durchkontaktierungen kann z.B. auch wie eine 
Patch-Antenne wirken (für entsprechende Frequenzen, wenn ihre Größe hier 
z.B. Lambda/2 ist).

Autor: Chrissi1811 (Gast)
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@Herbert

>Zur Reichweite: Hängt stark davon ab wie gut die Anpassung ist, also
>auch sehr  wie die Massefläche angeordnet ist. Also zur F-Antenne kann
>ich sagen, dass 10m Reichweite bei 0 dbm kein Problem sind, zumindest
>ohne größere Hindernisse (Wände usw.) und das mit nahezu
>Rundstrahlcharakteristik.

>Glaube ich nicht.

Also ich weiß jetzt nicht genau was du nicht glaubst, oder vielleicht 
glaubst du alles nicht?

Die Anpassung beeinflußt natürlich die abgestrahlte Leistung.

Die Reichweite wurde in mehrfachen Tests verifiziert. Du kannst das ja 
auch mal mit nem Handy-Headset testen, die sind meistens auch Class 2 
oder 3, also auch so um 0dbm. 5m sind damit wohl auch kein problem und 
das obwohl die Antennen meist sehr schlecht sind (weil sie so klein sein 
müssen). Mit einer (bzw. zwei, für Sender und Empfänger) "guten Antenne" 
wie der F-Antenne kann man also erwartungsgemäß schon höhere Reichweiten 
erzielen.
... und zur Richtwirkung - Rundstrahlcharakteristik bezieht sich 
natürlich auf einen Dipol/Monopol und nicht auf einen isotropen 
Kugelstrahler.

Autor: RS (Gast)
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mir ist bei dem Design nicht ganz klar welches Potential auf der 
Massefläche sein muss. Muss da das Signal GND anliegen? Auf dem Bild von 
ST sieht es so aus als würde über ein Via an Pin 32 GND auf diese Fläche 
gelegt. :-/

Autor: RS (Gast)
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weiß das niemand? ;-(

Vielleicht ist die Frage auch doof, aber ich bin mir da unsicher da ich 
kein HF Experte bin und den Antennenanschluss nicht ungewollt gegen 
Masse (GND) kurzschließen möchte.

Autor: Max (Gast)
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I recommend you to take a look at TI Application note AN043. This 
article describes planar inverted F antenna (PIFA) design for 2.4GHz 
with dimensions and simulation results.
http://focus.tij.co.jp/jp/lit/an/swra117d/swra117d.pdf

Autor: Michi (Gast)
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Klar solltest Du auf Masse auch Masse (=GND=Ground) legen.

Der HF Ausgang ist nur kurzgeschlossen, wenn kein HF Signal anliegt, 
also eine Gleichspannung oder niederfrequente Wechselspannung.

In der HF Technik kann bzw. ist ein Stück Leitung sowohl relevante 
Induktivität als auch Kapazität und ein Stück Leitung kann auch eine 
Antenne sein ;) (ist es eigentlich ja sowieso meistens!

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Jungs, es ist 2 Jahre her, dass er das wissen wollte!

Dieser Beitrag ist gesperrt und kann nicht beantwortet werden.