Moin zusammen,
ich stehe gerade ziemlich auf dem Schlauch und hoffe, dass hier ein
erfahrener HF-Kundiger mir eine Tip geben kann. Hier das Problem:
Wir haben eine Baugruppe, welche mit einem Atmel At86RF231 Chip für
IEEE802.15.4 auf 2,4GHz funken soll. Es wurde gemäß einer Vorgabe eine
Chipantenne benutzt und das ganze so eng wie möglich auf einem Board mit
kontrollierter Impedanz untergebracht. Die Antennenzuleitung wurde mit
einem Balun laut Datenblattempfehlung und einer 50 Ohm coated
micro-stripline realisiert, dazwischen liegen noch Pads für eine
PI-Filterstruktur für die Antennenanpassung.
Nun haben wir jedoch ein massives Problem mit zu geringer Reichweite,
was wahrscheinlich auf eine Fehlanpassung der Antenne an die
Leiterplatte mit ihrem drumrum zurückzuführen sein wird.
Im Datenblatt der Antenne
(http://katalog.we-online.de/pbs/datasheet/7488910245.pdf) steht zwar
50Ohm Antennenimpdeanz, aber dass ohne ein passendes Antennen-Matching
mal eben 20dB verloren gehen können (was wir beobachten).
Nun ist dies meine erste HF Baugruppe und ich bin nicht sicher, wie ich
zunächst den Ist Zustand ermitteln kann und dann einen Soll Zustand in
Form von dem PI-Filter erreiche, um die maximale Leistung abzustrahlen.
Wir haben einen Sprektrumanalyser von Hameg (HMS3011) samt einer
VSWR-Messbrücke und ich bin derzeit soweit, dass ich die
Antennenzuleitung noch vor dem PI-Filter auftrenne, dort ein 50Ohm
Koax-Kabel angebracht habe und den PI-Filter erstmal einfach mit einer
Brücke "ausschalte". Wenn ich jetzt das VSWR-Diagramm ansehe, fällt mir
zuerst auf, dass a) meine Konstruktion mehr als einen Peak hat (siehe
Datenblatt der Antenne), sondern in regelmäßigen Abständen im Bereich
von 1-3GHz kleine Peaks von max. -7dB aufweisen. Und b) liegen diese
weit um die eigentlichen 2,4Ghz, in denen die Antenne arbeiten sollte
entfernt.
Schließe ich eine kleine Stummel-/Stabantenne für 2,4Ghz aus einem
Eval-Set direkt am Analyser an, bekomme ich bei ca. 2,38GHz einen
einzelnen Peak von ca. -15dB. So würde ich es mir eigentlich vorstellen,
leicht verstimmt, mit einem recht schlechten Reflektionsfaktor und
breitem Peak.
Nun, damit habe ich quasi das Ende meines Lateins erreicht. Ich habe
mich mit Smith-Charts zur Berechnung von Anpassungsnetzwerken
beschäftigt, doch diese arbeiten Grundweg mit einer bekannten
Antennenimpedanz, und zwar komplex, um von da aus zu einem Filterwert zu
kommen.
Gibt es eine Möglichkeit über die Messergebnisse des
Reflektionsfaktors/VSWR zu diesen zu kommen? Oder ist hierfür zwingend
ein Vector Network Analyser notwendig (den wir jedoch nicht haben)?
Habe ich irgendwo einen Denkfehler in meinem bisherigen Vorgehen? Es ist
wie gesagt das erste mal, dass ich mit solchen Problemen konfrontiert
bin und ich würde mich sehr über den Rat eines HF-lers freuen.
Danke und Grüße,
Björn
Lad die Schematic und das Boardfile hoch, denn hättet Ihr nach dem DB
gearbeitet, würdet Ihr nicht hier posten!
PS: Mach noch ein gescheites Foto vom Aufbau!
Einen HMS 3011 gibt es bei Hameg nicht.
Für die Lösung dieses Problems ist eher ein Netzwerkanalysator und ein
erfahrener HF-Mann notwendig. Die Impedanz über der Frequenz muß
angepaßt werden.
Aber: Auch die beste Anpassung sendet nicht, wenn es sich um einen
perfekten 50 Ohm-Widerstand handelt.
Wie groß ist denn deine Reichweite? Mit den Chipantennen wirst du auch
bei guter Anpassung nicht an eine normale Antenne rankommen.
Wo trennst du die Leitung auf? Ich hätte den Balun entfernt und das
Koaxkabel am Balun-Pin angeschlossen um möglichst viel der späteren
Konfiguration beizubehalten.
Auf die Anpassung der Antenne sollte man verzichten können. Wie im
Datenblatt zu sehen ist, wird das S11 von -13 auf -30 dB besser. Das
heißt in der Praxis aber: Statt 5% der Leistung wird 0,1% der Leistung
reflektiert, das sollte auf die Reichweite einen kaum wahrnehmbaren
Einfluss haben.
Was für ein PCB-Material benutzt ihr? Wie ist die Leitungsgeometrie?
Im Datenblatt steht: *Line width should be designed to match 50Ω
characteristic impedance, depending on PCB
material and thickness.
(Matching circuit and component values will be
different, depending on PCB layout)
Was für Bauteile habt Ihr für das netzwerk genommen? Gute oder
schlechte?
habt Ihr einfach mal eine 50 Ohm Leitung vermessen (Reflektion)?
Hallo zusammen,
nein, das Problem ist noch nicht gelöst, aber ich denke den Grund zu
haben. Durch eine zu enge Masseführung um die Antennenleiterbahn (0,15mm
Polygonregel) wurde aus der auf 50Ohm berechneten Microstripline eine
Grounded Coplanar Waveguide Struktur, die nach nem Calculator auf 83
statt 50 Ohm kommt, was eine krasse Fehlanpassung ist und am Übergang
Balun zu Leitung und Leitung zu Antenne je 10dB Verlust erzeugen könnte.
Leider dürfen wir auf Kundenwunsch jetzt noch einen Range Extender mit
einbauen, was die Sache nicht besser macht.
Der Hameg HMS3011 ist die 3010 Version mit Preamplifier Option.
Zum Testen wurde der Balun runter genommen und an dessen Ausgangspad
gemessen. Wir kommen auf vll. 3m Reichweite mit einer Basisplatine und
Akku unter dem Sender (leider nicht anders möglich). Die Referenzdesigns
mit freier Stummelantenne haben über 10m und eine Holzdecke wunderbar
geklappt, aber wahrscheinlich nicht im 2MBit modus.
Die Leiterplatte wurde mit der Spezifikation "hier 50Ohm mit Bezug auf
Masselage darunter" beauftragt und vom PCB Hersteller umgesetzt und
geprüft. Raus kam eine 0,1mm Leiterbahn bei 0,156mm Lagenabstand und
IT180A FR4 als Basismaterial. Jedoch hat sich in 0,15mm Abstand dann
noch seitlich ein Massepolygon herangeschlichen, was die ganzen 50Ohm
auf dem Testcoupon schön aussehen lässt, aber in der Schaltung daneben
gehen dürfte.
Das Pi-Filter ist nur als Pads vorgesehen aber derzeit nur mit einem 0R
in Reihe bestückt.
Wir werden jetzt Schaltplan und Layout mit den Zusatzwünschen erweitern
müssen und dann neue Leiterplatten los treten.
Danke für die Rückmeldungen.
Gruß,
Björn
Servus,
der HMS 3010(3011) hat doch einen Tracking Generator oder etwa nicht?
Dann könntet ihr mal das PCB messen.
Björn schrieb:> Zum Testen wurde der Balun runter genommen und an dessen Ausgangspad> gemessen. Wir kommen auf vll. 3m Reichweite mit einer Basisplatine und> Akku unter dem Sender (leider nicht anders möglich).
Ich versteh eure Messung leider nicht. Zeigt der HMS3010 eine Reichweite
an? Messt ihr mit einem HF-Probe, einem Draht oder einem offenen Stück
Koaxleitung?
Sorry, wenn das unverständlich war, das bezog sich auf 2 getrennte
Fragen.
Welche Reichweiten wurden erzielt: vll. 3m zwischen unseren Modulen vs.
ca. 10m zwischen zwei Eval-Boards mit einer einfachen Demoanwendung, die
Daten hin und her schickt.
Wo wurde gemessen: Die VSWR wurde am 50Ohm Ausgangspad des nicht
bestückten Baluns gemessen, d.h. vor HF-Switch und Antennen, inkl. aller
unbalanced HF Leitungen. Dazu wurde ein 50Ohm Coax Pigtail direkt
angelötet, SMA Stecker auf der anderen Seite mit Adapter dann in die
Messbrücke.
Kannst du bitte dein VSWR-Diagramm mal posten? Für die VSWR sollte doch
eine zahl gößer 1 raus kommen. Habt ihr die Messbrücke und das Pigtail
irgend wie raus kalibriert? Egal ob automatish oder von Hand?
Was für ein HF-Switch? Wozu?
Schaltplan/Umsetzung des ganzen?
At86RF231->Balun->Pi-Filter->HF-Switch->Antenne? Oder ist das falsch
geraten?
Kann der Hameg mit der Messbrücke zusammen nicht in Impedanzen
umrechnen, bzw kann der eine Phaseninformation ausgeben?
Eine Phsaeninfo erhält man mit dem Hameg nur dann, wenn man das TG- und
das RF-Signal mischt und die DC-Spannung dann synchron zum Sweep
abbildet beispielsweise auf einem Scope.
Upps, mir war bisher nur bekannt, daß Hameg die Vorverstärker-Option als
Software.Key anbietet. Was ich nicht wußte, ist, daß es auch dafür 2
Extra-Typnummern gibt. Ich glaube, dies auch im Katalog nicht gefunden
zu haben (und DEN kenne ich recht gut....!). Kann sein, ich brauche eine
neue Brille ;-)))))
Moin zusammen,
das HMS3010 steht auch auf dem Gerät drauf, aber wenn man es direkt mit
Option für den Verstärker bestellt, steht HMS3011 auf dem Lieferschein,
sorry wenn das für Verwirrung gesorgt hat.
Das Gerät wurde für EMV Abschätzungen und HF Geschichten angeschafft,
leider hab ich und niemand sonst darauf geachtet, ob es auch Vector
Network Analyser Funktionen bietet, auch weil das Budget beschränkt war.
Leider ist kein Scope vorhanden, was bis 2,4GHz hochkommt, um über den
Umweg doch noch einen Phasenversatz auszumessen.
Die Leiterplatte soll Antenna Diversity unterstützen und braucht
deswegen den HF Switch, der die Antennen umschalten kann. Wir haben uns
möglichst nah an die Appnotes vom AT86RF231 gehalten, den Schaltplan
darf ich leider wegen NDA nicht weitergeben. Der Aufbau ist:
AT86->Balun->HFSwitch->Pi-Filter->Antenne. Wie gesagt, der Pi Filter ist
momentan nur in Reihe mit einem 0R bestückt, nichts gegen Masse dran.
Als Kabel ist n kleiner Pigtail mit 15cm RG174 und nem SMA angelötet.
Und ich seh je nach Haltung ALLES außer ne Resonanz bei den Frequenzen,
wo ich sie erwarte. Ich suche mal nach dem Screenshot dazu. Kalibriert
ist die Brücke bis zum N-auf-SMA Adapter, d.h. das 15cm Kabel kommt noch
in der Messung dazu, sollte aber nicht 20dB Verlust (1mW Sendeleistung)
ausmachen, die hier fehlen sollen. Wenn man die Leiterstruktur hinter
dem Balun absäbelt und am Balun Ausgang eine Molex 47950-0001 anlötet,
soll die Sendeleistung mit Evalboards vergleichbar sein, ansonsten eben
ca. 20dB zu wenig. Hier hat unser Partner gemessen, den Aufbau kenn ich
nicht genau.
Dürfte ich eure Abschätzung zu folgenden Leiterbahndimensionen erfragen?
Die balanced Leitung von AT86 zu Balun soll 100Ohm haben. Hier komme ich
bei 0,38mm Lagenabstand und FR4(Er=4,42 bei 2,4GHz) auf 0,4mm
Leiterbahnen und 0,125mm Leiterbahnabstand. Wie weit sollte seitlich
Masseflächen entfernt bleiben? Oder beeinflussen diese bei
differentiellen Übertragen nicht wesentlich?
Für die unbalanced 50Ohm Leitung komme ich beim gleichen Lagenaufbau auf
0,6mm Leiterbahn und 0,2mm Abstand zur Masse an den Seiten, um einen
grounded coplanar waveguide zu bauen. Leider bin ich in 3
Berechnungsprogrammen mit Überschlagsformeln auf 3 Ergebnisse gekommen.
Wäre es vielleicht eine Alternative, die Anpassung extern zu
beauftragen? Weiss jemand, was sowas ungefähr kostet? Habe für meine
RF231-Platine auch schon drüber nachgedacht, aber die geht 10m durch 2
Wände durch schon relativ gut....
Üblicherweise beauftragt man ein HF-Design bzw. Redesign und nicht ein
bisschen Anpassen. Bei einer Produktentwicklung geht es um
Produzierbarkeit, Serienstabilität und Einhaltung der
Zulassungsvorschriften und natürlich Kosten. Gerade bei den letzten drei
Punkten braucht es schon ein paar Jahre Erfahrung und den erheblichen
Anteil des Entwicklungsumfanges, selbst bei Verwendung eines Moduls. Je
nach Formulierung des Entwicklungsauftrags ist das nicht billig und es
gibt auch nicht viele flexible HF-Dienstleister (die das wirklich
überzeugend können).
Wenn man sich schon mit der Messtechnik und dem HF-Layout schwer tut,
ist das ganze eine schöne Übung, aber für eine professionelle Umsetzung
sollte man sich schleunigst einen guten Coach/Design-Partner suchen.
