Ich versuche gerade eine Platine für ein batteriebetriebenes Gerät,
welches ein Wlan-Modul enthält, zu entwerfen. Eigentlich wollte ich eine
Chip-Antenne verwenden und hatte auch schon den Platz auf der Platine
dafür freigehalten.
Die Platine ist FR4 mit 1.6mm Stärke. Das Wlan-Modul sendet mit max
18db. Eine Reichweite von 20m ist durchaus ausreichend.
Erst jetzt dachte ich daran, daß der vorgesehene Akku, ein Lipo für ein
Smartphone, direkt unter der Platine und somit auch unter der
Chip-Antenne angebracht wird.
Das wird die Abstrahleigenschaften der Chip-Antenne bestimmt wesentlich
beeinflussen.
Ist diese Konstruktion noch sinnvoll zu verwenden?
Durch einen anderen Thread hier im Forum bin ich auf die
Splatch-Antennen gestoßen. Entschärft es mein Problem, wenn ich eine
solche Antenne im Winkel von 90° auf die Platine löte? Die Antenne steht
ja dann quasi frei im Raum.
Chip-Antenne:
https://www.linxtechnologies.com/resources/data-guides/ant-xxx-chp-x.pdf
Splatch-Antenne:
https://www.linxtechnologies.com/resources/data-guides/ant-2.4-usp.pdf
Nachdem niemand geantwortet hat und ich auch nur in etwa deine
Konstruktion abschätzen kann antworte ich mal so durch den größeren
Abstand zum durch das Accupack gebildetzen Ground wird deine Antenne
vielleicht nicht verstimmt, aber die Abstrahlcharkteristik dürfte sich
deutlich verschieben da das Pack als Rreflektor wirken sollte.
Genauere Aussagen dürften nur möglich sein wenn du die Konstruktion mal
zeichnest fotografierst
Winfried, danke für Deine Antwort. Ja, es lässt schwer beschreiben.
Fotos sind leider nicht möglich, da die Platine zunächst mal nur
virtuell existiert.
Die Platine soll in ein Gehäuse eingebaut werden. Zum Anschrauben der
Platine verfügt das Gehäuse über 4 kleine "Pfeiler". Diese sind genau so
hoch wie der Akku. Der Akku passt also genau zwischen Gehäuseboden und
Platine und ist somit auch gleich im Gehäuse fixiert. Er nimmt die volle
Fläche zwischen den Pfeilern ein. Ich kann ihn also nicht irgendwohin
verschieben.
Ich habe mal 2 Versionen des möglichen Platinenlayouts angefügt (jeweils
Ausschnitte der Platine).
Das erste zeigt die Variante mit der Chipantenne. Ich habe zwar die
Masseflächen auf der Platine ausgespart, jedoch käme dann direkt
darunter de Akku zu liegen. Das macht ja meines Erachtens das Aussparen
der Masseflächen wieder zunichte. Sehe ich das richtig?
Bei der zweiten Variante würde die Splatch-Antenne dann hochkant auf den
3 Lötpads stehen. In diesem fall habe ich die Massefläche stehen
gelassen, als Groundplane sozusagen. Hätte diese Variante Vorteile?
Hallo Karsten,
das ist aber ein anspruchsvolles Projekt. Der Akku wird die Antennen
sicher verstimmen. Bitte überdenke Dein Design. Der Akku muss da weg und
siehe in der Schaltung unbedingt ein Anpassnetzwerk (PI-Glied) vor.
Wenn Du das Datenblatt der Lösung 1 Dir an siehst findest Du auf Seite
2 unter Layout Considerations: … Improper placement of planes, traces,
or system components will results nulls or complete de-tuning… !!
„Nulls“ sind Einzüge im Radiation Pattern und „Complete detuning“
bedeutet totale Fehlanpassung !
Ebenso bei der Lösung 2 unter Counterpoise…
Also bitte Vorsicht! Kaputt gehen kann eigentlich nichts - beim heutigen
Stand der Technik vertragen die Module totale Fehlanpassung (schau bitte
ins Datenblatt) aber im schlimmsten Fall funktioniert die Antenne nicht
und Du erzielst keine Reichweite. (Mit viel Glück schon…)
Deine Antenne funktioniert ohne Anpassung sicher nur wenn
• Dein Board und GND/Power Planes die Abmessungen des abgebildeten
Testboards haben
• Die Antenne genau auch so platziert wird
• Nichts drum rum ist
Tatsächlich wird aber jede Embedded-(Keramik)-Antenne durch seine
Umgebung
• Größe des PCBs
• Größe GND / Powerplane
• LP-Material
• Große Komponenten (Akkus, Elkos,Trafos, Schirmbleche etc.)
• Und man mag es nicht glauben: auch der Gehäuse Kunststoff durch sein
er in unmittelbarer Nähe der Antenne
stark beeinflusst / verstimmt.
Daher geben die Hersteller (die Guten) solcher Embedded Antennen
meistens entsprechende Applikation Notes für die Anpassung oder sogar
Unterstützung in eigenen Labs.
Ich will Dich jetzt nicht entmutigen, möchte Dir aber mal beschreiben
wie man ein gutes Antennendesign hinbekommt.
Schritt 1:
• Auswahl der Antenne (Gibt der Hersteller Applikation Notes zum Thema
Matching)
• Da du schreibst Du kannst den Akku wirklich nicht verschieben, fällt
mir nur der Hersteller Ethertronic (über DigiKey) ein, dessen Antennen
am wenigsten durch die Umgebung beeinflusst werden. Damit könntest Du
evtl. ein funktionierendes Design hinbekommen, aber auch da kommst Du um
eine Anpassung nicht herum.
Schritt 2:
• Schaltung: Zwischen HF-IN/OUT des WLAN und der Antenne gehört ein
Anpassnetzwerk (PI-Glied).
Schritt 3:
Aufbau eines Mock-Up:
• Anpassnetzwerk, Pi Glied
• Antenne in den gewünschten / gedachten Positionen, Freistellung
Kupfer beachten
• auf doppelseitigem PCB mit GND Plane oben und unten (mit Kupferband
ringsherum verbinden)
• die Großen Komponenten siehe oben, alle an GND,
• Gehäuse
• und kurzes Stück Semirigid Kabel mit SMA Stecker zum Messen der
S11-Parameter mit einem VNA. Dabei ist das Pi Netzwerk nur mit einem 0
Ohm Richtung Antenne bestückt.
Schritt 4:
• Jetzt wird mit dem VNA ein S1P file der Antenne auf dem Mock-Up
erstellt
Schritt 5:
• Simulation des Anpassnetzwerkes mit z.B.RFSim99 (Freeware) bis Du
eine gescheite Anpassung besser -20db hast, später wirst Du feststellen
das die Simulation immer besser ist.
Schritt 6:
• Bestücken der simulierten Bauteilewerte, und Messen der Anpassung
besser -6dB ggf. Modifikationen / Optimierungen
Schritt 7: (Nur die Voll-Profis)
• Messung des Radiation Pattern und ggf. Modifikationen / Optimierungen
am Mock-Up
Jetzt kennst Du die Anpassschaltung, die Bauteilwerte, die endgültige
Position Deiner Antenne und Du kannst ins Layout gehen, die Leiterplatte
bestellen und bestücken
Schritt 8:
• Mit dem fertig bestücken PCB wie Schritt 6 weiter machen.
Das war es.
• Wenn Du kein Mock-Up hast, bitte mache die Anpassung auf dem fertigen
PCB. Das Mock-Up erspart Dir aber evtl. viel Zeit, Material und damit
Geld bietet Dir dagegen Freiheitsgrade in der Positionierung der
Antenne.
• Wenn Du keinen VNA hast, kannst Du freundlich im HF-Labor der
nächsten Uni fragen. Wenn Du in der Nähe von HH wohnst können wir das
evtl. am Wochenende bei mir in der Firma machen (muss ich Chef fragen).
• Wenn Du Hilfe bei der Simulation brauchst, schicke mir das s1p file.
Viel Erfolg & Gruß
Axel
Hi Axel, vielen lieben Dank, daß Du Dir die Mühe gemacht hast, eine so
umfangreiche und kompetente Antwort zu schreiben.
Ein Layout für eine Digitalschaltung geht mir im Normalfall recht
schnell von der Hand. Um die HF habe ich, ehrlich gesagt, immer einen
großen Bogen gemacht, da sie zu oft keinen Gesetzmäßigkeiten zu
gehorchen scheint.
Von daher verstehe ich zwar Deine Ausführungen, jedoch werde ich das mit
meinem Wissensstand nicht umsetzen können.
Ich weiß, das sind keine guten Voraussetzungen für ein solches Projekt.
Aber wie gesagt, das Wlan muss max. 15-20m weit reichen. Das fertige
Gerätchen wird vorwiegend im Freien, bei direktem Sichtkontakt,
eingesetzt. Ein gewisses Maß an Fehlanpassung werde ich mir also leisten
können.
Das eingesetzte Wlan-Modul ist ein RN-171 von Roving Networks. Im
Datenblatt sind verschiedene Antennenkopplungen beschrieben. Unter
anderem eine senkrecht angeschlossene Drahtantenne (Länge 1" +-10%, was
ich sehr großzügig finde) und auch eine Chipantenne angeschlossen per
Microstrip. Das habe ich versucht nachzuempfinden, allerdings per
coplanar Waveguide with Ground. Habe da einen Internet-Calculator für
den Leiterzug bemüht.
Ich denke das größte Problem ist der verd...te Akku. Den bekomme ich
aber nirgends anders unter.
Ich bin ab morgen für eine Woche im Urlaub und werde erst danach
weitermachen können. Mal sehen, vielleicht kommt mir ja im Urlaub noch
eine zündende Idee.
Apropos Mock-Up, ich werde einfach mal Muster der Variante 2 ordern um
zu sehen wie die sich schlägt. Mehr Mock-Up -Möglichkeiten stehen mir
nicht zur Verfügung.
Das Ganze muss auch mit einer Fertigung auf normalem zweiseitigem FR4
und ohne Impedanzkontrolle klarkommen.
Hallo Karsten,
o.k. Du musst also mit dem Akku unter der Antenne klar kommen.
Egal für was Du Dich entscheidest siehe unbedingt das Anpassnetzwerk
(PI-Glied) in der Antennenleitung vor.
Die Variante 2 ist ein Monopol als Viertelwellenstrahler der eigentlich
auch senkrecht montiert funktionieren könnte. Da Du aber an der Antenne
nichts ändern kannst kürzen / verlängern hast Du wenig Freiheitsgrade
und es muss irgendwie klappen und getestet / gemessen ist auch noch
nichts.
Eine schöne Idee hätte ich noch für Deine Antennenlösung:
Schau mal in das Datenblatt des WLAN-Modules. Bild 6 ist eine PCB
F-Antenne dessen Struktur / Strahler durch Meander und das er ~4,1 für
FR4 verkürzt worden ist.
Wenn Du die Möglichkeit hast eine solche Antenne aus Draht / Blech
herzustellen kann man diese für eine senkrechte Montage auf dem PCB neu
berechnen. Wurzel aus er = 2 – also alle angegebenen Maße mit 2
multiplizieren.
Diese kannst Du ja mal alternativ als Kombipad (also ein weitere GND Pad
2 x 85mil links vom Speisepunkt) in dem Layout Variante 2 vorsehen.
Wenn die Lösung 2 nichts taugt probiere diese Antenne aus Blech / Draht
einfach senkrecht über dem PCB zu platzieren.
Voraus gesetzt Du hast den Platz im Gehäuse dafür. Dabei hast Du später
deutlich mehr Freiheiten die Antenne zu verkürzen oder zu verlängern.
Wenn das alles nicht klappt kannst Du immer noch einen lambda 4 Strahler
senkrecht auf den Speisepunkt löten.
Frage: Wie groß ist die Leiterplatte und die GND-Plane?
Also nur Mut das klappt schon. Wenn´s ein Problem gibt melde dich hier.
Schönen Urlaub & Gruß
Axel
Hi Axel, nochmal Danke für Deine Bemühungen. Zwecks dem Pi-Glied würde
ich Dich gern nach dem Urlaub nochmal ansprechen, wenn es Dich nicht zu
sehr nervt. Gibt es dazu eine gute Internetseite auf der ich mich schon
mal weiterbilden kann?
Die Platine ist insgesamt 91x45mm groß. Der Bottom-Layer ist fast
komplett, bis auf einige wenige Leitungen, Gnd.
Die Mäander-Antenne hatte ich auch schon gesehen, sie aber verworfen, da
man dort von einer 4-lagigen Platine sprach. Eine Umrechnung habe ich
mir gleich abgeschminkt.
Das Ganze aus Blech könnte ich mir gut vorstellen. Es gibt da wohl
fotobeschichtete Messingbleche die man belichten und ätzen kann. Mhh,
das wär was... Wäre da auch eine Umrechnung nötig?
Ja, den Lambda/4-Draht hatte ich als Notlösung auch immer noch im
Hinterkopf. Ich habe allerdings nur 16mm Höhe.nach oben, im Gehäuse zur
Verfügung. Könnte man eine solche Drahtantenne auch knicken/verformen?
Eigentlich sollte sie ja senkrecht stehen.
Verstehe ich das richtig, dass unter der Antenne auf der PCB Rückseite
sowieso eine GND Fläche ist?
D.h. Antenne und Akku sind durch diese GND Fläche eh getrennt?
Wenn ja, ist´s egal.
Einfach so bauen.
