Hallo Forum, ich bin mittlerweile bei meinem Funkmodul an einem Punkt angelangt, an dem ich irgendwie nicht weiter komme, weil mir das Wissen um Antennen leider fehlt. Zunächst zum Hintergrund der Mühe: ich bin Elektro-Ing und hatte "damals" HF als Schwerpunkt. Leider wurde dort genau nicht auf Antennen eingegangen, "nur" auf Anpassung von Microstrips, Patch- und Hornantennen. Um mich selbst weiter zu bilden für einen Jobwechsel und weil ein Kumpel einen Sensor für seine 600m entfernte Scheune braucht, dachte ich daran, beides zu verbinden und ein Funkmodul zu konstruieren. Leider scheitere ich scheinbar an der Antenne. Zur Vorarbeit: ich habe einen Atmel-Controller mitsamt AT86RF212 auf eine 4-Lagen-Platine gepackt und die Leitungen zwischen RF212 und Balun (0896FB15A0100 von Johansontechnology.com) sowie zur Antenne auf 50 Ohm angepasst. Der LP-Hersteller hat die Leiterbahnen dann soweit korrigiert, dass mit seinem Material, Verfahren und Lagenabständen 50 Ohm Microstrips entstanden sind. Als Antenne kommt eine Stabantenne mit einer Länge von 86mm (Lambda/4) und einem Drahtdurchmesser von 0,5mm zum Einsatz. Dieses "Modul" funktioniert nach der Anpassung der Impedanzen auch soweit sehr gut, da die Reichweite bei gleicher Antenne und Bauteilen von 90m auf ca. 250m angestiegen ist. Allerdings ist die Reichweite damit nicht bei den ca. 1km, die andere Module erreichen. Softwareseitig wurde -1dBm TX-Power (Wert 0x47, siehe Seite 107) eingestellt, da das laut Datenblatt das in der EU erlaubte Maximum darstellt. Zugegeben, was da EU1 und EU2 bedeutet, ist mir noch ein Rätsel und zugleich meine erste Frage. Zur Antenne: zunächst ging ich davon aus, dass eine Lambda/4-Antenne das (kleine) Optimum wäre, da diese Länge fast immer bei anderen Modulen anzutreffen ist. Leider scheint das nicht richtig zu sein. Nach einigen Simulationen mit EZNEC und Nachlesen bei Herrn Google wundere ich mich über diese Ergebnisse. Als Impedanz kommen bei 868,3 MHz und 86mm Drahtlänge über perfektem Ground 41,7 + j22,6 Ohm heraus. Nun gut dachte ich und habe die Länge solange abgeändert, bis ein Realteil von 50 Ohm entstanden ist bei 91,2mm Länge. Imaginär kommen hier ca. +j53 Ohm heraus, was sich mit einem Kondensator in Reihe ja kompensieren lässt. Also Smith-Diagramm rausgesucht, festgestellt, dass es da tolle Progs im Netz gibt, eines benutzt und 3,3pF in Serie ermittelt. Aber leider kein Erfolg. Die vom Modul ermittelte Signalstärke wird nicht besser als -49dBm. Meine konkreten Fragen sind: 1) Wie ermittle ich die Antennenimpedanz mit EZNEC bzw. wie deute ich diese richtig? (Meine Antenne sitzt über einer Massefläche mit den Maßen 17mm * 28mm, ca. 6mm von einer schmalen Seite entfernt). 2) Welchen Einfluss kann ich eigentlich durch eine Plane auf der Oberseite um die Balun und die Antenne erwarten? Der Abstand ist derzeit ca. 0,5mm zu den 50 Ohm-Leitungen. 3) Wenn ich die Antennenlänge von ca. 92mm um jeweils 1mm kürze und irgendwann ein Reichweitenmaximum bei 80mm erreiche, ist die Antennenimpedanz dann rein reell? 4) Ich muss für die nächste Version ein Pi-Glied vorsehen. Für die Balun ist ein 100pF-Kondensator am unsymmetrischen Ausgang vorgesehen. Kann dieser in das Pi-Glied (quasi als horizontaler Strich über dem Pi) benutzt werden oder wäre ein dahinter gesetztes Pi-Glied besser? 5) Ich könnte mir auch vorstellen, eine fertige Antenne aus Stabilitätsgründen bspw. anzuschließen. Wenn diese dann eine Lambda/4-Antenne ist, hat sie dieselbe Impedanz wie die Stabantenne? 6) Führt eine Verformung der Antenne eigentlich zu Oberwellen oder nur zu schlechter Abstrahlung? Ich hatte (auch aus Interesse) vor, das Modul in einem Labor vermessen zu lassen. Für ca. 300 Euro find' ich das eigentlich noch erträglich und es gibt natürlich etwas Sicherheit. Ein Test für eine komplette Zertifizierung liegt übrigens (für die EU) bei ca. 10kEuro, hab ich mir sagen lassen (falls es jemanden interessiert). Eine Chipantenne wäre aus Größengründen zwar auch interessant, ist aber (noch) nicht angedacht. An Messtechnik habe ich konkret: nix :-( Es besteht aber die Möglichkeit, über Vitamin-B an die Messtechnik einer Hochschule gelassen zu werden. Dann kommen Fragen auf, wie und was gemessen werden muss... na ja, alles zu seiner Zeit. Ich bin für jede Hilfe (bereits im Vorfeld) dankbar. Anbei noch einige Links, die ich bisher fand: -www.hb9w.ch/typo3/uploads/media/Ant_Vortrag_HB9W_2010.pdf -http://johansontechnology.com/en/integrated-passives/chipset-specific-baluns.html -http://www.dresden-elektronik.de/shop/prod117.html (kommt mit Chip-Antenne ca. 200m weit ...)
Ich kann dir nicht alle Fragen beantworten (ist ganz schön viel da).
Daher nur erstmal paar Anmerkungen:
Eine Monopol-Antenne entsteht aus dem Dipol, indem man die symmetrische
2. Hälfte durch eine gut leitende HF-Erde ("ground plane") ersetzt.
Diese muss im Radius mindestens wiederum lambda/4 sein, was sich auch
anschaulich daraus ergibt, dass man gewissermaßen die zweite Hälfte
des Dipols "rotierend aufklappt", also zuerst einen Kegel, und den
dann weiter "nach oben ziehen", bis es eine Scheibe ist.
Wenn du keine derartig große Massefläche hast, ist ein lambda/2-
Dipol für dich in jedem Fall die bessere Wahl (braucht aber eine
andere Anpassung).
Man kann die Metallebene auch durch ein Metallgerippe ersetzen;
im einfachsten Fall bleiben dann noch einige lambda/4 lange Drähte
übrig, die sogenannten "Radials". Das ist die Antennenform, die
landläufig eine "Groundplane-Antenne" genannt wird.
Die elektrisch relativ kurzen Leitungen auf der Platine müssen
übrigens nicht exakt 50 Ω haben, das spielt da noch keine große
Rolle.
Der Unterschied zwischen EU1 und EU2 ist auf Seite 109 im Datenblatt
erklärt. Kurz gesagt, EU2 stellt die Endstufe auf einen höheren
Stromverbrauch ein, damit arbeitet sie auch noch für größere Pegel im
linearen Bereich (sodass sie wenig Ober-/Nebenwellen erzeugt), damit
kann man bei BPSK-20 bis 5 dBm gehen. Da man bei BPSK-20 auch mit der
"EU1"-Einstellung bis 4 dBm gehen kann, wäre das aber die
empfehlenswertere Variante, denn sie spart Strom. Das 1 dB wirst du
kaum merken. Da du aber von -1 dBm schreibst, fürchte ich, dass du
O-QPSK als Modulation benutzen willst, oder? Eine schlechte Wahl,
wenn es dir auf Reichweite/Empfindlichkeit ankommt, die langsame
BPSK-20 bringt dir 9 dB mehr Empfängerempfindlichkeit gegenüber
O-QPSK-100 (also etwas mehr als doppelte Reichweite).
Die exakte Antennenanpassung hat einen deutlich geringeren Einfluss
als du annimmst. Ist theoretisch eine gute Übung :), aber gerade mit
deiner fehlenden Groundplane sind die Parameter deines Monopols extrem
von deiner Umgebung abhängig, d. h. das Ding ist "handempfindlich".
Eine Chipantenne ist für dich gar keine Lösung. Die Dinger sind klein
und ineffektiv. Wenn überhaupt, dann denk eher über eine kleine Yagi
nach. Du kannst dir praktisch eine x-beliebige Bauanleitung für eine
Amateurfunkantenne nehmen, die für 70 cm (430...440 MHz) konzipiert
ist und dann einfach alle Maße halbieren.
Schau dir mal Allgemeinzuteilung: Zuteilungen SRD-Band 863-870 MHz
an, du darfst 25 mW ERP senden in diesem Frequenzbereich, also +14 dBm
an einem Dipol. Wenn du +4 dBm aus dem Chip rausbekommst, könntest du
dir also noch eine Antenne mit 10 dBd Gewinn leisten und bleibst
trotzdem noch im gesetzlich zulässigen Rahmen (wobei dir die 10 dB
Gewinn ja auch noch auf der Empfängerseite zugute kommen).
Worauf du allerdings (gerade bei langsamen BPSK-20) schauen musst, ist
die maximal zulässige Kanalbelegung von 1 %, die über eine Stunde
gemittelt werden muss. Oder aber, du guckst dir LBT an (listen before
talk).
Felix Adam schrieb: > Führt eine Verformung der Antenne eigentlich zu Oberwellen oder nur > zu schlechter Abstrahlung? Sie führt zwar nicht selbst zu Oberwellen, aber sie kann dazu führen, dass bereits entstandene Oberwellen dann bevorzugt abgestrahlt werden.
Hallo Jörg, vielen Dank für die vielen Infos. Die helfen mir schon deutlich weiter. Die 1% Dutycycle habe ich auch bemerkt und schon implementiert :-). Die Info über die zu kleine Groundplane ist zugegebenermaßen neu. Ich ging bislang davon aus, dass mindestens eine kleine da sein muss. Auch die Radials sind mir neu, aber jetzt weiß ich schonmal, was das ist. So verstehe ich auch endlich viele Infos aus dem WWW. Bedeutet natürlich ebenfalls, dass die Antenne und damit die Reichweite experimentell optimiert werden (müssen). Aber auch das ist machbar. Zunächst versuche ich mal über die Leistung mehr Reichweite zu erreichen. Die Geschichte mit Antennenform und Oberwellen ist dann auch eine Sache für den EMV-Test. Ist bestimmt besser, wenn ich das im Falle einer anders geformten Antenne anstelle einer Stabantenne mal vermessen lasse, zur Sicherheit. Falls jemand noch ein paar Infos zu den EZNEC-Fragen hätte, wäre das auch, zumindest zum besseren Verständnis, sehr hilfreich. In jedem Fall vielen Dank für die ganzen Infos, Jörg. Viele Grüße, Felix
Felix Adam schrieb: > Die Geschichte mit Antennenform und Oberwellen ist dann auch eine Sache > für den EMV-Test. Das fiese daran ist: für andere Frequenzen als die Grundfrequenz hat man oft Nebenkeulen im Antennendiagramm, die viel stärker ausgeprägt sind als die Hauptkeule der Grundfrequenz. D. h., wenn du in der Richtung misst, in der bei der Grundfrequenz das Signal am stärksten ist, dann tauchen die Oberwellen dort gar nicht so stark auf und man könnte denken, dass das Problemlos unter dem Limit bleibt. Wenn man sich dann aber mal "in die Weiten des Raums" begibt: Pustekuchen, irgendwo ist die Oberwelle dann "dicke da"... Been there, done that. Die PCB-Antenne aus der Atmel-Appnote (für 2,45 GHz), die ich bei mir in tiny230-Projekt wiederverwendet habe, hat genau ein solches Problem. Senkrecht zur Hauptstrahlrichtung wird die 1. Oberwelle sehr stark abgestrahlt. Jetzt weißt du auch, warum diese Messungen so teuer sind. ;-) Die müssen nämlich in einem Raum, der möglichst wenig HF reflektiert, das strahlende Objekt auch in jeder Raumrichtung vermessen.
Moin, >Jetzt weißt du auch, warum diese Messungen so teuer sind. ;-) Die >müssen nämlich in einem Raum, der möglichst wenig HF reflektiert, >das strahlende Objekt auch in jeder Raumrichtung vermessen. Genau das. Tests bei CEcert in Wismar habe ich auch bereits beigewohnt. Das Vermessen des abgestrahlten Frequenzspektrums erfolgt bei horizontaler und vertikaler Polarisation durch Drehen der Empfangsantenne und der Prüfling (das EUT) wird dann auch von vorne, von links und von oben vermessen, indem der Prüfling dementsprechend gedreht wird. Ein Funkmodul wird außerdem bei den vom Hersteller angedachten Temperaturgrenzen und dabei dann auch bei den angegebenen Spannungsgrenzen getestet, also 4 Möglichkeiten, die quasi aus allen Richtungen geprüft werden müssen. Daher ist die Zertifizierung eines Funkmoduls auch ca. 7 bis 10 mal so teuer wie ein Tag im "normalen" EMV-Labor mit Testbericht. Hast du die Antenne auch vermessen lassen oder hat sich die Nebenkeule bei Deinen Tests gezeigt?
Felix Adam schrieb: > Hast du die Antenne auch vermessen lassen oder hat sich die Nebenkeule > bei Deinen Tests gezeigt? Ich hatte den Tipp bekommen, dass die Antenne so eine Nebenkeule hat, und habe die dann auch bei eigenen Spekki-Messungen verifizieren können. Die Messung hat zwar nicht die Qualität einer Zertifizierungs- messung, aber wenn man die Platine in der Hand hin und her schwenkt und dabei die Anzeige vom Spekki beobachtet, dann sieht man ziemlich schnell, in welcher Raumrichtung auch die Oberwelle besonders "dicke" abgestrahlt wird.
Felix Adam schrieb: > ich bin Elektro-Ing und hatte "damals" HF als Schwerpunkt. Leider wurde > dort genau nicht auf Antennen eingegangen, "nur" auf Anpassung von > Microstrips, Patch- und Hornantennen. Im Netz gibt es ja zur Antennentheorie allerlei kostenloser Literatur und auch Skripte wie dieses hier: http://www2.ihe.uni-karlsruhe.de/lehre/hf2/AAS-Skript-2007.pdf Gruß, branadic
Hallo branadic, da hast du zweifelsohne recht. Ich habe nicht wenige dieser Skripte zusätzlich zu meinem aus meiner Studienzeit gesucht, gefunden und "gesichtet". Zugegeben, das Skript aus deinem Link ist mal eines der wenigen von mir gefundenen, das neben vielen Informationen auch mal verständlich geschrieben ist. Es bleibt jedoch das Problem, das Jörg bereits genannt hat: die Groundplane ist zu klein. Und das, so fürchte ich, lässt sich rechnerisch nur mit immensem Aufwand modellieren. So man denn überhaupt weiß, wie es richtig geht... Vielen Dank auch für Deine Hilfe, jedoch werde ich mal ein Pi-Glied drauf designen, viele kleine Spulen und Kondensatoren besorgen (die kosten im Vergleich zu den Platinen nix) und die Abstimmung dann experimentell vornehmen. An die Messtechnik komme ich leider erst in drei Wochen, solange dauert aber auch die Fertigung der Platinen... Frohes Schaffen.
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25 KB
Noch zwei Anmerkungen: Ich würde den Koppel-Kondensator nicht für das PI-Glied verwenden, sondern ein PI-Glied mit Tiefpass-Charakteristik aufbauen. Also eins mit Spule in Serie. Mit dem Nachteil, dass keine Spule an die Masse angeschlossen ist und somit das PI-Glied nicht als ESD Schutz dienen kann. Habe die S-Parameter zu diesem Balun angeschaut. So wie ich das sehe, hat dieser Balun eine sehr schlechte Performance. Der Insertion-Loss beträgt ~5dB. Vielleicht ist es besser auf den Balun zu verzichten und stattdessen eine Dipol-Antenne zu verwenden.
---- schrieb: > Vielleicht ist es besser auf den Balun zu verzichten und > stattdessen eine Dipol-Antenne zu verwenden. Dann brauchst du aber ein extra Filter, ansonsten strahlst du die Oberwellen u. U. zu stark ab. Außerdem hat nicht unbedingt jeder Platz für einen Dipol bei diesen Frequenzen.
---- schrieb: > Der Insertion-Loss > beträgt ~5dB. Woher hast du das eigentlich? Das Datenblatt garantiert maximal 1,5 dB.
Die ~5dB scheinen aus dem angehängten Bild zu stammen, wobei mir leider die Herkunft unbekannt ist. Es könnte sein, dass das die S-Parameter von der JohansonTech-Balun sind, grafisch dargestellt. Dass ein Dipol mit ca. 20cm Länge unerwünscht/ungeeignet ist, stimmt schon. Aber auch mit Dipol wird eine Balun benötigt, weil der Chip einen symmetrischen Ausgang hat, der in einen unsymmetrischen "transformiert" werden muss, jedenfalls muss das so sein soweit ich weiß. Aber mal ein paar andere Fragen: kann ich mit einem Spektrumanalyzer wichtige Parameter für die Antennenanpassung und das Anpassnetzwerk samt Balun bestimmen oder bedarf es da noch anderer Messtechnik (Richtkoppler bestimmt)? Und hat jemand eventuell Links zu Beschreibungen/Anleitungen (für einen Anfänger auf diesem Gebiet), wie welche Parameter gemessen werden? Danke schonmal.
> schon. Aber auch mit Dipol wird eine Balun benötigt, weil der Chip einen > symmetrischen Ausgang hat, der in einen unsymmetrischen "transformiert" > werden muss, jedenfalls muss das so sein soweit ich weiß. Nein. Muss nicht. Musst nur an die Dipol-Eingangsimpedanz anpassen. > Aber mal ein paar andere Fragen: > kann ich mit einem Spektrumanalyzer wichtige Parameter für die > Antennenanpassung und das Anpassnetzwerk samt Balun bestimmen oder > bedarf es da noch anderer Messtechnik Mit dem Spektrumsanalysator kannst Du nur die Leistung Frquenzbezogen messen. Um die Anpassung zu messen bzw. ein Anpassglied zu entwerfen brauchst Du aber die Leistung aufgeteilt in Hin- und Rücklaufende Welle sowie die Phasenlage beider. Das Messgerät welches sowas misst nennt sich Vektorieller Networkanalser - VNWA oder auch nur NWA abgekürzt. (Wobei es auch NWAs gibt welche die Phasenlage nicht bestimmen können. Die nenne sich dann aber eher Antennenanalysatoren o.ä.) Leider sind solche Geräte unverschämt teuer. Es gibt ein paar Bastellösungen (Tiny-NWA oder so) aber da ist mir der Frequenzbereich persönlich zu stark eingeschränkt. Ich habe aber ein paar Quellen wo ich hingehen kann und messen. Vielleicht hast Du ja auch eine Uni oder einen Funkamateur mit Messpark oder in der Firma Möglichkeiten sowas zu messen. Dabei musst Du aber darauf achten, dass Du auch einen Anschluss zum Messen vorsiehst. Tastspitzen gehen nicht. Ich nehme, wenn es keine Platzprobleme gibt, meinst SMA-Buchsen sie ich mit 0-Ohm Widerstände zuschalten kann. Viele Grüße, Martin L.
Felix Adam schrieb: > Es könnte sein, dass das die S-Parameter von > der JohansonTech-Balun sind, grafisch dargestellt. Wobei die grafische Darstellung eben nicht zu der (allerdings viel schlechter aufgelösten) passt, die sich im Datenblatt des Baluns befindet. > Aber auch mit Dipol wird eine Balun benötigt Nein, der Dipol ist symmetrisch. Wenn man einen Dipol mit 100 Ω entwirft, kann man ihn direkt dran bauen. Sowas kannste dir in der Atmel-Appnote für 2,4 GHz angucken (habe ich bei meinem tiny230 dann wiederverwendet). Im Prinzip kanns du den dort befindlichen Dipol um 2450/868 = 2,82 nach oben skalieren. Allerdings wird der dann 127 mm x 36 mm groß, ist nicht mehr ganz handlich.
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Die ~5dB sind aus der grafischen Darstellung von den Daten "0896FB15A0100_with 100pF_10-2-08.s3p" von der Johanson Homepage.
Hallo Martin, es bestünde vielleicht die Möglichkeit, an so einen NWA heran zu kommen. Für die Messungen benötigt man dann aber auch noch dieses Testset, was meist unten drunter steht, oder? Könnte da jedes passen, vorausgesetzt dass der Frequenzbereich und die Steckverbinder stimmen? Danke schonmal wieder.
Angehängte Dateien:
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balun-s11-s12.png
18 KB
---- schrieb: > Die ~5dB sind aus der grafischen Darstellung von den Daten > "0896FB15A0100_with 100pF_10-2-08.s3p" von der Johanson Homepage. Da diese Angaben jedoch drastisch der Kurve im Datenblatt widersprechen (hab' den Ausschnitt mal angehängt), mag ich die Interpretation dieser Datei ein wenig anzweifeln. Liegt das nun an den "with 100 pF" (warum sollte man eine solch bombastische Last da dran hängen)? Gibt es dort überhaupt eine Erklärung, welcher der drei Ports hier wofür da ist? Ich sehe da nur S-Parameter zwischen drei Ports, ohne mir einen wirklichen Reim drauf machen zu können.
Diese 100pF sind im Datenblatt der Balun angegeben. Ich habe diesen C vorgesehen für den Fall, dass dadurch eine letzte Transformation auf 50 Ohm erfolgt. Wenn die Antenne ohne diesen Kondensator angebunden wird, ist allerdings eine leichte Verschlechterung der Reichweite zu beobachten. Um festzustellen, ob die Antenne einen induktiven Blindanteil hat, habe ich diesen Kondensator mal auf 6,8pF und mal auf 12pF verringert. Ab 12pF besteht aber kein merklicher Unterschied mehr zur Reichweite bei 100pF.
Felix Adam schrieb: > Diese 100pF sind im Datenblatt der Balun angegeben. Ich habe diesen C > vorgesehen für den Fall, dass dadurch eine letzte Transformation auf 50 > Ohm erfolgt. Ach ja, jetzt sehe ich das auch, soll ein DC block sein. Was mich daran allerdings wundert ist, dass ich den DC block auf der symmetrischen Seite erwartet hätte, denn der symmetrische Pfad darf gleichspannungsmäßig nicht nach GND kurzgeschlossen werden, damit man die (bei TX und RX unterschiedlichen) DC-Potenziale im AT86RF212 nicht beeinflusst. Bei der 2,4-GHz-Version ist dieser Kondensator auch wirklich da, wo man ihn erwarten würde. Offenbar ist die 900-MHz-Version hier anders aufgebaut. Damit bleibt die Diskrepanz zwischen der Interpretation der S-Parameter-Datei, die es dort gibt und dem Diagramm der beiden wesentlichen S-Parameter im Datenblatt bestehen. Hmm, eine Idee habe ich noch: da die S-Parameter-Datei ja zwischen 3 Ports arbeitet, dürfte sie implizit 3 dB "insertion loss" zwischen Ein- und Ausgang besitzen, denn man arbeitet ja nur gegen eine Hälfte der symmetrischen Seite. Wenn man beide symmetrischen Anschlüsse nun gemeinsam (und gegenphasig) treibt, sind diese 3 dB (doppelte Leistung) wieder rausgeholt, sodass man von den vermeintlichen 4...5 dB insertion loss auf 1...2 dB kommt, was den maximal 1,5 dB gemäß Datenblatt recht gut entspricht.
Ja, wenn man den Balun am unblanced Port einspeist, dann hat man so was wie ein Power-Splitter. Der Balun wurde anscheinend mit einem 4 Port NWA ausgemessen und da hätte ich erwartet, dass die Daten anders dargestellt würden. Wir sind auch an der Entwicklung eines Funkmoduls und setzten den 0896BM15A0001 ein. Uns wurde durch einen Firma, welche viel Erfahrung auf diesem Gebiet hat, darauf hingewiesen, dass dieser Balun eine viel höhere insertion loss hat als im Datenblatt angegeben wird. Da wir aber keine grossen Ansprüche an die Reichweite haben und der Einsatz dieses Baluns sehr einfach ist, setzen wir ihn dennoch ein.
---- schrieb: > Uns wurde durch einen Firma, welche viel Erfahrung > auf diesem Gebiet hat, darauf hingewiesen, dass dieser Balun eine viel > höhere insertion loss hat als im Datenblatt angegeben wird. Dafür, dass sie aber einen offensichtlich gemessene S-Parameter-Datei mitliefern, die letztlich die Datenblattwerte bestätigt, finde ich diese Aussage, nun ja, etwas gewagt... Davon abgesehen: für eine Verdoppelung der Reichweite braucht man immerhin 6 dB mehr. 1 dB mehr oder weniger ist also am Ende sowieso nur "Rauschen": ein vorbeilaufender Mensch verursacht temporär eine deutlich größere Dämpfung.
Moin Forum, die neue Variante der Platine ist da, nur war bereits im Vorfeld die Reichweite ähnlich der jetzigen mit Anpassnetzwerk hinter der Balun. Die Variante nach Datenblatt kommt daher scheinbar auf eine maximale Reichweite von ca. 250m mit O-QPSK und der Einstellung 0x47 (-1 dBm TX Power). Ich hatte die Reichweite von Meshnetics-Modulen mit derselben Antenne wie meine Funke mit der Reichweite meines Funkmoduls verglichen und konnte dabei feststellen, dass die auf die doppelte Reichweite kommen. Ich vermute, dass der Filter in der Balun damit etwas zu tun haben kann und/oder dass Meshnetics (oder Atmel, weil ZigBit-Funkmodul) eine bessere Anpassung der Balun an den Funkchip realisiert haben. Hat von euch jemand eine Ahnung, was die gemacht haben oder kennt jemand einen Wert für die Antenna Port Impedance vom AT86RF212? Atmel habe ich vorhin angeschrieben und hoffe auf (überhaupt) eine Antwort. Schönen Tag weiterhin.
Felix Adam schrieb: > Ich hatte die Reichweite von Meshnetics-Modulen mit derselben Antenne > wie meine Funke mit der Reichweite meines Funkmoduls verglichen und > konnte dabei feststellen, dass die auf die doppelte Reichweite kommen. Was hast du denn als Antenne, ist das noch die λ/4 aus dem ersten Posting? Wenn ja, hast du eine Erdfläche von wenigstens λ/2 Durch- messer darunter? > Ich vermute, dass der Filter in der Balun damit etwas zu tun haben kann > und/oder dass Meshnetics (oder Atmel, weil ZigBit-Funkmodul) eine > bessere Anpassung der Balun an den Funkchip realisiert haben. Die haben möglicherweise noch nicht den Johanson-Balun da drin, sondern einen anderen. Weiß ich gerade nicht. Andererseits entspricht die doppelte Reichweite einer Änderung von 6 dB, die wollen erstmal erreicht sein. > Hat von euch jemand eine Ahnung, was die gemacht haben oder kennt jemand > einen Wert für die Antenna Port Impedance vom AT86RF212? Steht doch im Datenblatt: 100 Ω differenziell (da, wo die Pins RFN und RFP beschrieben sind). Du könntest versuchen, die symmetrische Antenne aus der Appnote AVR2006 auf 868 MHz zu skalieren. Wird zwar ein ziemliches Kuchenbrett dann :), aber die kannst du dann direkt an die Pins RFN und RFP klemmen. Für den Dauerbetrieb bräuchte man zwar wohl noch ein Oberwellenfilter, aber als Vergleich für einen Reichweitentest kann man das sicher auch mal ohne riskieren. Wenn du alles schön symmetrisch baust, sollte die 1. Oberwelle auch so ganz gut unterdrückt werden.
Moin Jörg, ja, es soll immernoch aus Größengründen eine λ/4-Stabantenne sein, die notfalls etwas "verbogen" werden kann. Aufgrund meiner gewählten Modulgröße von lediglich 20mm x 40mm ist eine λ/2-GND-Plane nicht drin :-/. Das Modul hat allerdings eine GND-Plane in der Innenlage, nur scheint die dann wohl nicht auszureichen. Die Meshnetics-Jungens haben laut BOM die Johanson Balun 0900BL18B100 drin. Am Ausgang des AT86RF212 auf dem ZigBit (unterhalb des Shieldings) liegen zwei Pi-Glieder am Antenna Port (eines pro HF-Pin), jeweils zwei Cs als Beinchen des Pi und eine Spule als Strich über dem Pi. Hinter dem Modul kommen dann noch wie im Datenblatt des AT86 zwei 68pF Kondensatoren, jeweils einer je Zuleitung zur Balun. Aufgrund dieser beiden PIs ging ich davon aus, dass die Impedanz nicht ganz 100 Ohm ist, sondern etwas abweicht und dass diese PIs eine bessere Anpassung realisieren. Was die 6dB angeht, das denke ich auch. Aber wenn man die Insertion Loss- Werte vergleicht, kommen alleine 1,5dB durch die andere Balun dazu. Allerdings hinkt der Reichweiten-Vergleich vielleicht wirklich, da die Meshbeans ca. 5cm x 5cm in Summe groß sind mit einer nahezu geschlossenen GND-Plane auf der Oberseite. Der Reichweitenvergleich wurde zwar mit derselben Drahtantenne bei deren und meinem Modul durchgeführt. Aber so vergleiche ich wohl Äpfel mit Birnen... Vielleicht sollte ich auch mal eine keramische Antenne ausprobieren. Wenn die Reichweite genauso groß wäre, wäre das Modul schön klein. Am Ausgang, so konnte ich mit einem Spektrumanalyzer mal schauen, kommen jedenfalls keine Sidelobes hoch. Ob das gut oder schlecht ist, muss ich mir demnächst mal anlesen. Danke wieder mal. Ich werde mich wohl doch irgendwann nochmal in ein paar HF-Vorlesungen "schummeln"...
Felix Adam schrieb: > Aufgrund dieser beiden PIs ging ich davon aus, dass die Impedanz nicht > ganz 100 Ohm ist, sondern etwas abweicht und dass diese PIs eine bessere > Anpassung realisieren. Die 100 Ω am IC passen wohl besser, als du jemals irgendwelche Impedanzen mit FR4-Material aufbauen kannst. Keine Ahnung, warum die π-Glieder da sind. Möglicherweise stammen sie noch aus einer Zeit von vor dem Johanson-Filter-Balun und sollten der Unterdrückung der Oberwellen dienen.
Hallo Ich ev. habe einen kleine Hinweis zu den 100pF am Asym-Ausgang des Johanson Baluns gfunden. Im Atmel RZ600 Evaluation Kit sind sowohl RF212/230/231 enthalten. Im Schema http://atmel.com/dyn/resources/prod_documents/RZ600_AT86RF23x_Schematic.pdf ist angegeben, für die RF212 Version tatsächlich 100pF zu bestückt (R102).
Da ist ein Unterschied zum Datenblatt des AT86RF212 zu sehen. Die beiden 68pF-Kondensatoren VOR der Balun fehlen und es wurde wohl den Rules nach auf eine differenzielle Impedanz angepasst. Ich habe beide Leiterbahnen als Microstrip, jede für sich, auf 50 Ohm angepasst, was dann wohl einfach auch falsch ist. Macht auch irgendwie Sinn bei 100 Ohm differenzieller Impedanz ... :-(. Ich rechne mal nach was mein Modul als differenzielle Impedanz aufweist. Ganz so daneben liegen kann's eigentlich nicht, da es ja immerhin 250 m schafft. Ich poste demnächst mal, was sich dann ergeben hat. Danke für diesen Link.
Felix Adam schrieb: > Da ist ein Unterschied zum Datenblatt des AT86RF212 zu sehen. Die beiden > 68pF-Kondensatoren VOR der Balun fehlen Das liegt aber ein einer Eigenart dieses Baluns: er besitzt von der symmetrischen Seite keinen Gleichstrompfad nach Masse. Daher muss man an dieser Stelle keine Cs anbringen (genauso, wie man eine symmetrische Antenne von 100 Ω ohne Cs speisen kann, siehe Appnote AVR206). Dafür besitzt dieser Balun einen Gleichstrompfad zur Masse der Sekundärseite, deshalb muss man dort den C anbringen. Das lässt sich alles nicht verstehen, wenn man an einen klassischen gewickelten Balun denkt, aber diese Teile sind letztlich keine echten Baluns sondern Ansammlungen keramischer Ls und Cs. > Ich habe beide Leiterbahnen > als Microstrip, jede für sich, auf 50 Ohm angepasst, was dann wohl > einfach auch falsch ist. Nö, würde auch gehen, lohnt sich allerdings bei diese elektrisch kurzen Bahnen nicht. Immerhin müsstest du diese für 50 Ω bei Standard-FR4 (1,5 mm dick) verdammt breit auslegen. Die Wellenlänge beträgt 35 cm, deine Leitungen sind vielleicht 1 cm lang. Da bringen die sauberen Leitungsimpedanzen noch nicht wirklich etwas, es ist hier sinnvoller, auf kürzestem (aber symmetrischem!) Weg zum Balun zu gehen.
Jörg Wunsch schrieb: > Nö, würde auch gehen, lohnt sich allerdings bei diese elektrisch > kurzen Bahnen nicht. Immerhin müsstest du diese für 50 Ω bei > Standard-FR4 (1,5 mm dick) verdammt breit auslegen. Heisst das, dass man sich die 100/50 Ω Microstips sparen kann, wenn man alles schön kompakt anordnet - RF212/Balun/100pF/U.FL oder ähnlich/bzw. Antenne?
Jonas M. schrieb: > Heisst das, dass man sich die 100/50 Ω Microstips sparen kann, wenn man > alles schön kompakt anordnet Ja. So machen es ja am Ende auch die Beispiellayouts im Datenblatt von Johanson.
@Jörg Ein Einwand! Bei meinem ersten Layout habe ich die Impedanzen der 4mm langen Leiterbahnen vom Antenna Port zur Balun auf jeweils 100 Ohm angepasst und da war sehr wohl eine starke Verringerung der Reichweite zu bemerken. Immerhin Faktor 3! Nach der ersten Version habe ich die Zweite Version mit jeweils 50 Ohm Microstrips ausgelegt und statt 70m dann 250m erreicht. Und mein Layout ist auf einer impedanzangepassten Platine erfolgt, nicht auf Zweilagen-FR4. Es wurden 48,8 Ohm Impedanz für diese Leiterbahnen auf dem Testcoupon ermittelt. Meinen ersten Erfahrungen nach haben die Impedanzen bei solch kurzen Leiterbahnen auch schon einen Einfluss, was aber durch die Modulationsart QPSK kommen kann, bei der die Phase umgetastet wird. Diese Umtastung hat wahrscheinlich sehr viel kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten als es ein Sinus mit 868 MHz hat. Sonst würde auch ich sagen, dass es egal ist. Mit BPSK konnte ich immerhin fast 500m erreichen, jedoch weiß ich nicht, wie weit andere Module kommen würden, die BPSK einsetzen, mir fehlt hier ein Vergleichswert. Wobei auch hier eine Umtastung der Phase erfolgt, allerdings nur zwischen zwei Phasen und nicht zwischen 4 wie bei QPSK. @Jonas Bei PowerGoo-gle findest du Infos über maximale Leiterbahnlängen in Abhängigkeit von der Steilheit der Signalflanken. Viele Infos auch hier http://www.polarinstruments.com/de/support/cits/cits_apps.html und speziell zur Frage, ob Impedanzanpassung oder nicht in Abhängigkeit der Leiterbahnlängen und Flankensteilheiten hier (als Excelfile mit Macro): http://www.polarinstruments.com/support/cits/SP103.zip Grüße, Felix
Felix Adam schrieb: > Diese Umtastung hat wahrscheinlich sehr viel kürzere Anstiegs- und > Abfallzeiten als es ein Sinus mit 868 MHz hat. Ich bin zwar kein Signaltheoretiker, aber mit irgendwelchen Anstiegs- zeiten läuft da nicht viel: man würde ja viel zu viel Abstrahlung außerhalb der geplanten Frequenz erzeugen, wenn man da irgendwelche steile Flanken drin hätte. Das will und darf man nicht, entsprechend wird das ganze gefiltert. Was hast du denn als Antenne benutzt? Eigentlich sind die Werte alle nicht sehr toll, vorausgesetzt, man hätte eine Antenne, die wenigstens einigermaßen an die 2 dBi eines Dipols rankommt.
Das mit der Beobachtung bei QPSK ist schon richtig. So wie du es beschreibst, ist der Chip anscheinend was die Stabilität der generierten Phase angeht, ziemlich am Anschlag designt. Mit steigender Modulationart (BPSK, QPSK, QAM usw...) steigen die Anforderungen an den LO stark an. Jenseits QAM64 ist direkt auf dem Träger kaum noch machbar.
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Jörg Wunsch schrieb: > Felix Adam schrieb: >> Diese Umtastung hat wahrscheinlich sehr viel kürzere Anstiegs- und >> Abfallzeiten als es ein Sinus mit 868 MHz hat. > > Ich bin zwar kein Signaltheoretiker, aber mit irgendwelchen Anstiegs- > zeiten läuft da nicht viel: man würde ja viel zu viel Abstrahlung > außerhalb der geplanten Frequenz erzeugen, wenn man da irgendwelche > steile Flanken drin hätte. Das will und darf man nicht, entsprechend > wird das ganze gefiltert. Im Grunde genommen stelle ich mir das auch so vor. Aber unter http://www.dj4uf.de/lehrg/a15/a15.html findet man unter PSK31 die Info, dass bei PSK die Bandbreite etwa so groß ist wie die Bitrate. Von Filterung wird dort zumindest erstmal nicht gesprochen. Ich weiß auch nicht, wie es in der Signaltheorie aussieht, aber die Bandbreite des Funksignals ist an der Antenne ca. 400kHz wie ich auf einem Spektrumanalyzer und im Datenblatt zum AT86RF212 (Seite 102) sehen konnte. Und bei OQPSK (Offset-Quadrature Phase Shift Keying) werden jeweils 4 Bits übersetzt in 16 Chips. Es werden also 4 Bits je Informationsbit übertragen. Und unter dieser Bedingung wird die Aussage im oben stehenden Link bestätigt, dass die Bandbreite etwa der Bitrate (100kBits * 4) entspricht. Wobei die Balun natürlich einen integrierten Filter hat, dessen Einfluss ich nicht kenne. Hier beim Funkmodul halte ich es aber für möglich, dass es bis zur Balun oder dessen Filter tatsächlich solche Sprünge geben kann, da sich sonst die Beobachtung mit den Reichweitenunterschieden erstmal nicht erklären lässt. Denn die Leitungslängen von 4mm bei 868MHz dürften ansich wirklich keinen Einfluss machen, das sehe ich schon so wie du. Außer eben, das Signal ist vor der Balun deutlich breitbandiger und wird vom Layout "behindert". Neugierig hat es mich das mit der Bandbreite und dem Spektrum von OQPSK jedenfalls gemacht. Ich versuche mal, am Wochenende das entweder zu simulieren und/oder zu berechnen. Ergebnisse poste ich dann. > Was hast du denn als Antenne benutzt? Eigentlich sind die Werte alle > nicht sehr toll, vorausgesetzt, man hätte eine Antenne, die wenigstens > einigermaßen an die 2 dBi eines Dipols rankommt. Als Antenne setze ich einen Draht mit Kunststoffmantel ein. Er hat einen (Innen-)Durchmesser von etwa 0,6mm und einen Außendurchmesser von 1,1mm. Die Isolation müsste aus PVC sein, genauere Infos habe ich aber nicht, nur dass es Klingeldraht sein könnte, den man in Bauhäusern bekommt (Gelb und weiß, verdrillt). Die hier als optimal ermittelte Länge der Antenne beträgt 86mm über der Oberfläche des Moduls. Ein weiterer Millimeter ist in der Platine in ein Lötauge gelötet. Der Draht ist richtig gerade, keine Wellen, keine Knicks, keine Kurven. Die Impedanz laut EZNEC wird mit etwa 50 Ohm - j80 Ohm (glaube ich) angegeben. Ich habe daher eine Spule mit 12nH in Serie mit der Antenne geschaltet. 12nH haben sich bei meinen Versuchen am Spekki als optimal heraus gestellt. Die beiden "Beinchen vom Pi-Glied" sind nicht bestückt. Ich habe jetzt auch endlich mal ein Bild des Layouts gemacht und beigefügt. P.S.: Ich glaube auch, ich habe EZNEC nicht richtig verstanden. Hat jemand Beispiele oder Links, wo die Simulation der Impedanz eines Monopols "ziemlich genaue" Werte liefert? Vielleicht habe ich die Anpassung noch nicht richtig hergestellt. Danke für alle bisherigen und folgenden Tipps.
Felix Adam schrieb: > Hier beim Funkmodul halte ich es aber für möglich, dass es bis zur Balun > oder dessen Filter tatsächlich solche Sprünge geben kann, da sich sonst > die Beobachtung mit den Reichweitenunterschieden erstmal nicht erklären > lässt. Denn die Leitungslängen von 4mm bei 868MHz dürften ansich > wirklich keinen Einfluss machen, das sehe ich schon so wie du. Außer > eben, das Signal ist vor der Balun deutlich breitbandiger und wird vom > Layout "behindert". Da es spätestens im Filter des Baluns aber geglättet würde, sollte das davor dann auch egal sein. An sich ist der Oberwellenanteil aber auch ohne Filter schon nicht sehr hoch, es genügt eben halt nur nicht, um die Auflagen der Regulierungsvorschriften (ETSI bzw. FCC) sicher zu erfüllen, daher das Filter. Nein, so richtig sind diese Unterschiede nicht erklärbar. > Die hier als optimal ermittelte Länge der Antenne beträgt 86mm über der > Oberfläche des Moduls. Ein weiterer Millimeter ist in der Platine in ein > Lötauge gelötet. Der Draht ist richtig gerade, keine Wellen, keine > Knicks, keine Kurven. Und drunter? Ein Monopol ist so gut oder so schlecht wie die Erdfläche unter ihm. Die müsste, damit er ordentlich funktioniert, wenigstens λ/2 als Durchmesser haben. Wenn du das nicht hast, kannst du dir auch die Simulation sparen, denn die wird dann kaum noch Bezug zur Realität haben, und die Realität sieht ganz anders aus, wenn du die Platine in der Hand hälst oder irgendwo auf einer nicht leitenden Unterlage stehen hast. U. u. ist dann eine ordentlich angepasste Keramikantenne mit ihren vielleicht -5 dBi "Gewinn" besser als ein Monopol von exakt λ/4 aber mit undefinierbarer (oder veränderlicher) Erdfläche.
Das Filter wird für die Bandbreitenbegrenzung benötigt, nicht für den Demodulator. Der würde OHNE Filter grundsätzlich besser funktionieren. Mit NEC kann man keinen Monopol simulieren. NEC ist für 'echte' Antennen gedacht. Für sowas wie hier, brauchste mindestens WIPL-D.
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@Jörg Ich denke mittlerweile auch, dass die Erdfläche zu klein ist. 20mm x 40mm sind ja eher nen Witz gegenüber Lambda/2. Die Erde befindet sich 0,15mm unter der Seite, von der die Antenne hoch steht. Oder genauer: Top Layer: Bauteile und Antenne Midlayer 1: GND Plane MidLayer 2: VCC Plane Bottom Layer: hauptsächlich Signale. Im HF-Teil nur GND-Fläche. Ich glaube zu wissen, was da der Fehler ist. Ich habe im Layout den GND-Bereich so abgetrennt wie ich es im Datenblatt nach dem Absatz 4 auf Seite 11 verstanden habe: > The ground plane of the application board should be separated into > four independent fragments: the analog, the digital, the antenna > and the xtal ground plane. The exposed paddle shall act as the > reference point of the individual points. Der Masse-Bereich für die Antenne ist etwa 12mm x 20mm groß bis zum "exposed paddle" und hat erst von da an eine Verbindung zum Rest der Plane. Daher ist hier einfach mindestens eine Störstelle vorhanden. Ich habe die Abtrennung als Bild angehängt. Darf diese Trennung hier weggelassen werden? Ich hätte da Bedenken wegen des Einflusses, z.B. auf die geforderte Stabilität des Quarzes, da sein Massepotenzial durch die "Wellen" auf der Plane ja geringfügig schwankt... auch wenn die Wellenlänge bei über 30 cm liegt. @Abdul Dass das Filter für die Bandbegrenzung nötig werden kann, habe ich im Datenblatt zu Beginn von Kapitel 3, Abschnitt 1 gelesen. Daher habe ich die Balun-Filter-Combo genommen. Ich dachte mehr daran, dass eine nicht richtig angepasste differenzielle Impedanz ebenfalls auf die Steilheit der Signale wirken kann und die Demodulation am Empfänger (baugleiches Modul) zusätzlich erschwert, was in einer kleineren Reichweite resultiert. Vorausgesetzt, die Anpassung liegt nicht einfach nur knapp neben der geforderten Impedanz. Das von dir erwähnte Simulationstool kannte ich noch nicht. Allerdings weiß ich auch nicht, was die Demo erlaubt. Aber ob ich mir das ansehe, weiß ich erst, wenn klar ist, ob die Plane übelst getrennt wurde oder prinzipiell zu klein ist. Dann läuft es wohl auf einen Versuch mit einer integrierten Antenne hinaus ... was das wieder kosten wird :-(. Schönes Wochenende erstmal.
Hast du nur 2 Lagen oder mehr? Bei mehr Lagen kannst du problemlos eine ganze Massefläche in der Mitte unterbringen. Bei nur 2 Lagen geht das prinzipbedingt nicht, dann solltest du zumindest den Masseanschluss für den Quarz separat machen und ansonsten eine der beiden Lagen "so viel wie möglich" großflächig Masse. Damit müsstest du in der Lage sein, die Erdverhältnisse zu verbessern. Optimal werden sie aber (leider) erst ab λ/2 Durchmesser, d. h. bis dahin bist du immer bezüglich der Abstrahleigenschaften mehr oder weniger handempfindlich.
In Summe vier Lagen. Die Reihenfolge habe ich in meinem Posting vom 26.11. aber auch beschrieben. Im Grunde genommen darf (oder soll) die Gnd-Plane also komplett flächig ohne Unterbrechungen wie im Bild vom 26.11. sein? Ich könnte dem Quarz auf der Vcc-Plane einen kleinen Ausschnitt mit Massepotenzial spendieren.
Felix Adam schrieb: > Die Reihenfolge habe ich in meinem Posting vom > 26.11. aber auch beschrieben. Sorry, war beim Weiterlesen aus meiner Erinnerung raus. > Im Grunde genommen darf (oder soll) die Gnd-Plane also komplett flächig > ohne Unterbrechungen wie im Bild vom 26.11. sein? Ja, das ist HF-technisch eine gute Lösung, da eine solche Fläche eine geringe Induktivität besitzt. > Ich könnte dem Quarz > auf der Vcc-Plane einen kleinen Ausschnitt mit Massepotenzial > spendieren. Brauchst du nicht.
Erstmal danke für die schnelle Antwort. Ich denke, ich werde dann bei der nächsten Version die GND-Plane ohne Unterbrechungen auslegen und da ich eh einen Nutzen abnehmen werde (preislich bei Prototypen kein Unterschied), erstelle ich mehrere Versionen der Platine. Ein paar wie die Aktuelle (Gnd-Plane mit ohne Unterbrechungen) und einige mit keramischer Antenne. Grüße, Felix
Hallo Forum, mittlerweile sind auch die integrierten Antennen ausprobiert, die aber eine deutlich geringere Reichweite aufweisen, was für eine recht gute abgestrahlte Leistung des Drahtes spricht. Die Ursache ist mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit die kleine Groundplane, wie ja bereits vermutet wurde. Um also eine hohe Reichweite mit diesen Modulen zu erhalten, bleibt nur die Umstellung von O-QPSK auf BPSK mit geringerer Datenrate, was jetzt ausreichen muss. Die Trennung der Groundplane in die vier im Datenblatt genannten Bereiche und die Zusammenführung unter dem RF-Chip sollen dafür sorgen, dass Störungen durch den HF-Teil nicht oder nur gedämpft in andere Schaltungsteilmassen einkoppeln. Eine Entfernung der Trennung hat keine Reichweitenverbesserung ergeben. Ich denke, dass ich das Thema damit schließen kann, da (wenn auch langsamere Datenrate) die 600m erreicht werden :-). Bei schönem Wetter **hüstel**. Danke nochmals für alle Hilfen und schöne Pfingsten.
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