Moin allerseits, ich sitze zur Zeit an dem PCB-Entwurf einer Schaltung, die über ZigBee mit der "Außenwelt" kommunizieren können soll. Diese soll anschließend über einen Zulieferer (vermutlich PCBPool) gefertigt und bestückt werden. Die eigentliche Performance ist nebensächlich solange eine Übertragungsreichweite von ~1m gewährleistet werden kann, jedoch soll der Platzbedarf so gering wir möglich gehalten werden (angestrebt sind 15mmx15mm)! Bisher habe ich noch keine Erfahrungen mit Schaltungen zur Drahtloskommunikation und hoffe deshalb, dass mir jemand meine Annahmen vor der Bestellung noch einmal verifizieren kann :-) Das Signal kommt aus einem TI CC2538, der ein symmetrisches Ausgangssignal liefert. Dieses möchte ich mit einem Balun-Filter-Chip (z.B. Johanson Technology 2450BM15A0002) in ein unsymmetrisches Signal umformen um dieses dann anschließend an eine Chip-Antenne weiterzuleiten. In den Datenblättern steht, dass die Leitung zwischen Balun-Filter und Antenne 50Ohm-matched sein muss. Hierzu zwei Fragen: 1) Wie lange sollte diese mindestens sein? Ihre Länge bestimmt afaik auch die umliegende Groundfläche, auf der keine weitere Bauteilplatzierung möglich ist. Ich möchte diese aufgrund der Constraints so gering wie möglich halten, jedoch natürlich immernoch groß genug um die Drahtloskommunikation nicht zu gefährden ... Also anders ausgedrückt - wie weit von der Antenne kann ich das Filter und andere Bauteile platzieren? 2) wie geht man bei der Bestimmung der Parameter für die matched signal line am Besten vor? Ich habe im Internet verschiedene Kalkulatoren hierfür gefunden und die Angaben aus den Fertigungsspezifikationen von PCBPool übernommen (siehe Anhang/Bild). Ist nun davon auszugehen, dass die Bedingungen eingehalten werden oder übersehe ich etwas? Und ist es ohne weiteres möglich, auch eine abknickende Leitung zu verwenden? Wenn ihr bis hierhin gekommen seid, schon einmal vielen Dank fürs "Zuhören" und hoffentlich bin ich nicht komplett auf dem Holzweg :-) Grüße -Marc
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Momentum schrieb: > In den Datenblättern steht, dass die Leitung zwischen Balun-Filter und > Antenne 50Ohm-matched sein muss. Bei den von dir gewünschten Gesamtabmessungen bleibst du ja im Bereich von lambda/10. Da kannst du das getrost ignorieren, denn all das mit der Impedanz (einer Leitung) trifft nur auf elektrisch lange Leitungen zu. Dein wichtigstes Bauteil als HF-Designer ist die Massefläche. ;-) Man kann nie genug Massevias haben. Halte dich bezüglich der Anbindung des Baluns strikt an den Hersteller (Johanson hat da normalerweise einen guten Layoutvorschlag). Wenn dort im Layoutvorschlag vier Massevias dicht nebeneinander sind, dann nimm auch vier — ansonsten findest du dich schnell wieder an einem Punkt, bei dem du den Balun über eine nicht mehr zu vernachlässigende Induktivität angebunden hast … Eine symmetrische Antenne kommt nicht in Frage? Dann sparst du dir den ganzen Salat mit dem Balun.
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Vielen Dank erstmal für die schnelle Antwort! Ich versuche mich so gut wie möglich an die Datenblätter zu halten, deshalb auch eben die 50Ohm matched Leitung :-) Aber sehr gut zu wissen, dass das bei der Leitungslänge wohl kaum Auswirkungen haben wird - die Leitungsbreite aber bewusst so zu wählen schadet dann vermutlich aber auch nicht. Generell versuche ich bei möglichst wenig Chipfläche eine ZigBee-Kommunikation zu ermöglichen. Ich habe keine symmetrische Antenne bei Farnell finden können, aber ich kann mich ja nochmal umschauen. Wenn du (oder jemand anderes) diesbezüglich etwas empfehlen kann - super gern! :-) Bzgl. der Groundflächen steht in den Datenblättern nichts konkretes. Eher sowas wie "je größer desto besser" und ein Referenzlayout mit dem ihre Messergebnisse und ihr matching-circuit entstanden sind. Diese Fläche ist aber mit 40x20mm viel zu groß (also größer als meine gesamte Schaltung :-D). Ich weiß eben nur nicht wie nah ich mich mit der Antenne an andere Schaltungsteile heranwagen kann ... wenn ich mir die Messergebnisse anschaue für z.B. 2450AT42B100 (Johanson Technology), vor allem wie sich die Übertragung in der Nähe einer Batterie oder eines shields ändert, denke ich dass 5mm durchaus ausreichend sind als Abstand um eine Drahtlosübertragung über relativ kurze Distanzen zu ermöglichen - oder? ^^ Wenn ich mir aber mit einer symmetrischen Antenne den ganzen "Quatsch" sparen kann und sie nicht mehr Platz in Anspruch nimmt - dann wäre das natürlich die erste Wahl!
Hallo Momentum, 1. solange wie oben bechrieben alles kurz ist gemessen an Lambda/4 kannst Du mit Schätzwerten arbeiten. Oben steht Lambda/10, meine Erfahrung liegt bei kürzer Lambda/12, was Du wohl erreichst. 2. TI hat wieder den Vorschlag mit einem Tiefpass und einem Hochpass als Phasenschieber gemacht, um dann parallel zu schalten. Das müßte auch gehen, wenn Du einen Ausgang kapazitiv an 50 oder 100 Ohm Widerstand als Last ankoppelst und nur mit einem Ausgang arbeitest, aber bitte die "Harmonischen" dämpfen/filtern. ... bei der kurzen Reichweite reicht die Sendeleistung. 3. Probier einfach zwei Antennen, eine für jeden Ausgang. Und bitte wieder die Harmonischen unterdrücken. Sieh Dir einmal das Layout vom CC2538EM_layout_1_2.pdf bei den Gerbern in http://www.ti.com/lit/zip/swrr113 an. Ach ja, mir fällt immer wieder auf, dass die Vorschläge der Hersteller zu wenig beachtet werden - gilt aber für viele Anfragen. Gruß Bernd
Auch dir vielen Dank für die Antwort! Ich werde mir das TI-Design noch einmal näher anschauen, es könnte mir auf jeden Fall einen guten Anhaltspunkt für den Mindestabstand zwischen Antenne und weiteren Bauteilen (also der Größe der GND-Fläche) geben. Ich hatte eben gehofft mit einem Balun-IC (wie von Johanson Technology) Platz einsparen zu können im Gegensatz zu den vielen diskreten Kondensatoren etc. die auf dem Evaluation Module drauf sind (leider kann PCBPool eben nicht 0201-Gehäuse bestücken). Da an dem Chipende der Antenne sowieso eigentlich nur Ground "sein darf", spricht eigentlich auch nichts gegen die Verwendung zweier Antennen (soweit ich das einschätzen kann). Dazu hätte ich aber noch 2 Fragen: 1) für das unterdrücken der harmonischen brauche ich pro Signalleitung "nur" einen Tiefpass oder sollte man auf einen Bandpass zurückgreifen aufgrund der Intermodulationsprodukte? 2) brauche ich zum weiteren Tunen der Antennen dann auch noch jeweils ein Pi-matching-circuit? Außerdem habe ich gerade eine nette Alternative zu der Johnson Technology Antenne gefunden: http://de.farnell.com/molex/47948-0001/antenne-2-4ghz-on-ground-smd/dp/1961265 Diese würde es mir ermöglichen wenigstens ober- und unterhalb der Antenne weitere Platinen zu platzieren (Idee sind stackbare Erweiterungen, weshalb eben miniaturisierte Connectoren auch auf die Platine kommen). Darüber hinaus scheinen die Datenblattwerte besser zu sein. Übersehe ich irgendein Nachteil bei dieser Antennenbauart?
Momentum schrieb: > Ich hatte eben gehofft mit einem Balun-IC (wie von Johanson Technology) > Platz einsparen zu können im Gegensatz zu den vielen diskreten > Kondensatoren etc. die auf dem Evaluation Module drauf sind (leider kann > PCBPool eben nicht 0201-Gehäuse bestücken). Ja, machst du sicher auch. Letztlich sind diese keramischen Baluns auch nichts anderes, nur eben als ein Bauteil. > 1) für das unterdrücken der harmonischen brauche ich pro Signalleitung > "nur" einen Tiefpass Ja. > 2) brauche ich zum weiteren Tunen der Antennen dann auch noch jeweils > ein Pi-matching-circuit? Für den Meter, den du erreichen willst, würde ich da nichts übertreiben. Bau das da drauf, was du für ein erfolgreiches Passieren der Konformitätstests brauchst und sonst nichts. Ist ja nicht so, dass der IC sich bei diesen Ausgangsleistungen irgendwie in Wohlgefallen auflösen würde, wenn du ihn fehlangepasst betreibst.
Hallo Momentum, wie Jörg schreibt, genau so machen. Vielen Dank auch für den Hinweis zu der kleinen Antenne von Molex. Gruß Bernd
Vielen Dank euch Beiden noch mal. Ich habe inzwischen die Datenblätter des Arm M3 (TI's CC2538) noch etwas genauer angeschaut und bin dabei auf ein Problem gestoßen: Bei dem Referenzdesign (welches Bernd auch schon angesprochen hatte) wird eine Filterschaltung für Vdd verwendet (BLM18HE152SN1), die online nirgends so richtig verfügbar zu sein scheint... Bei meinen bisherigen (nicht RF-Schaltungen ^^) war so etwas eigenltich nie nötig gewesen, jedoch kann ich auch nachvollziehen, dass dies mit einer RF-Einheit und Antenne ganz anders aussehen kann. Daher meine Frage: - Ist so ein Filter für Vdd wichtig? - Welche Alternativen habe ich zu dem im Referenzdesign angebotenen Filter? Sollte ich es lieber diskret aufbauen oder gibt es gute Alternativen in Form eines Chips (bevorzugt 0603 oder 0402)? Und worauf muss ich da in erster Linie am meisten achten?
Hallo Momentum, das Filter in der Leitung soll nach meinem Verständinis die eingespeiste Versorgungsspannung filtern und rückwärts laufende Hochfrequenz aus der Applikation bedämpfen. http://search.murata.co.jp/Ceramy/image/img/PDF/ENG/L0110S0101BLM18H.pdf Das Datenblatt zeigt das benannte Bauteil. Ich würde darauf verzichten und stattdessen wie folgt vorgehen: An alle Versorgungsspannungsanschlüsse am CC möglichst dicht einen Kondensator mit kleiner Kapazität (2,2pF / 0805 oder 0603) und dann einen mit einer größeren Kapazität (47pF bis 220pF / 0805 oder 0603) hängen. Dann erst die jeweiligen Strompfade zusammenschalten und an den Batterieanschlüssen noch einmal einen Kondensator mit 100nF (1206) setzen. Der Kondensator mit 2,2pF und 0805 besitzt parasitäre Elemente, die einen Saugkreis bei etwa 2GHz bilden. Achte auf das Dielektrikum, es sollte COG sein. Die kleinen Kondensatoren sollten mit 3 Vias (0,3mm) und die größeren Kondensatoren mit 2 Vias (0,5mm sind ok) gegen Masse designed sein. Diese Massepads sollten nicht direkt miteinander verbunden sein, sondern über die "große" Massefläche. Verwende auch dünnes Leiterplattenmaterial. Damit sind die Serieninduktivitäten bei den Vias kleiner. Sicherlich wird der eine oder andere noch weitere Vorschläge oder auch andere Vorschläge haben. HF-Schaltungen sind immer ein kleines Zauberwerk, und die Zauberer zaubern vielleicht immer ein wenig unterschiedlich. Viel Erfolg Bernd
Vielen Dank auch für die letzte Antwort ;-) Eine letzte Frage habe ich noch: Ist es möglich, den TI-Chip und die Antenne mit dem Balun auf unterschiedliche Layern zu platzieren (also Antenne mit Balun Top und TI-Chip Bottom)? Da der TI-Chip ein balanced Ausgangssignal liefert, müsste das doch eigenltich "halbwegs" funktionieren (ich würde auf parallelen Verlauf und Leiterlänge etc. achten). Denn nur so kriege ich die Groundfläche um die Antenne groß genug :-/
Hallo Momentum, ich kenne Dein Design ja nicht, Deine Beschreibung wirft bei mir doch einig Rätsel auf... Wenn Du ein Balun verwendest, MÜSSEN beide Zuleitungen gleich lang sein. Durchkontaktierungen mache ich bei HF, also oberhalb 430 MHz ungerne und bei >2GHz so gut wie nie. Von Deiner Antenne habe ich keine Idee, wenn Du von so viel Masseflächen sprichst. Gruß Bernd
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Hallo Bernd, bezüglich der Antenne habe ich mich auf das Datenblatt von Molex bzw die Application Note bezogen (http://www.molex.com/pdm_docs/as/AS-47948-001.pdf). Dort wird unter anderem beschrieben, wie sich die Übertragungsqualität mit Elementen (Batterien bzw. einem "Schild") in unmittelbarer Umgebung zur Antenne verschlechtert. Ich versuche deshalb zumindest 3mm um die Antenne herum weitere Bauteile zu vermeiden, wobei selbst das schon arg knapp wird ... Zum (hoffentlich) besseren Verständnis habe ich eine grobe Skizze des Toplayers angefertigt (siehe Anhang). Ich habe versucht, sie maßstabsgerecht umzusetzen :-) Die Problematik ist, dass die Antenne zusammen mit dem 30Pin-Connector auf dem Toplayer liegen muss. Auf dem Bottomlayer dagegen ist vergleichsweise noch sehr viel Platz. Zwar "durchlöchert" mir der TI-Chip mit seinen Wärmeableitungsvias auch das gegenüberliegende Layer, jedoch kommen auf "seinem" Layer auch noch relativ viele Entkopplungskondensatoren hinzu, die auf dem Toplayer einfach keinen Platz finden... Deshalb versuche ich irgendwie, den TI-Chip auf den Bottomlayer zu kriegen (entweder mit oder ohne Balun). In meiner Unwissenheit (auf RF-Schaltungen bezogen) hielt ich es für sinnvoller, die Balanced Leitungen durch Vias zu führen anstatt die single feed line für die Antenne. Ist diese Annahme falsch? Oder ist der generelle Gedanke, dass die Schaltung noch irgendwas übertragen kann, wenn ich eine Signalleitung durch Vias schicke, schon zu optimistisch? Gruß zurück Marc
Hallo Momentum, ich habe das Gefühl, dass in der App.note von Molex einige Fehler sind: Bild 10 verstehe ich nicht, vielleicht habe ich zu schnell gelesen. An die Ordinate ist "return loss" geschrieben, wäre meines Erachtens "Wirkungsgrad" der Antenne. Die 50 Ohm-Leitung mit 0,2mm Weite ist ungewöhnlich. Die Leiterplattenstärke ist nicht angegeben. Die Impedanz berechnet sich immer gemäß w zu h. Zwischen Chip und Antenne würde ich keine Batterie setzen. Jede Durchkontaktierung ist bei 2,45GHz induktiv, daher vermeidet man sie. Wenn sie unbedingt notwendig sind, gibt es Tricks, die Platz benötigen. Hattest Du schon etwas über Stückzahlen, etc, über Leiterplattendaten geschrieben? Wo willst Du die Leiterplatte in Auftrag geben? Hast du Meßgeräte für den Frequenzbereich (Leistungamesser, Spektrumanalysator, ggf. VNA)? Ist dies ein private Projekt, eine Uniarbeit oder für eine Firma? Gruß Bernd
Hallo Marc, entschuldige bitte, dass ich erst jetzt tiefer in die von mir selbst benannten Dokumente oben reinsehe. TI hat im Prototypenboard (EVM) eine Multilayer-Leiterplatte verwendet. Planst Du das ebenso? Ich habe mir die Gerberdaten angesehen. Von PCB-Pool (noch eine Antwort auf eine meiner letzten Fragen) habe ich noch keine Mikrowellenschaltung in Multilayertechnik fertigen lassen. Ich bin eher der Typ, der entweder direkt Mikrowellensubstrat oder eine einfache doppelseitige Leiterplatte verwendet. Ziehst Du den Aufbau in Erwägung, wie es TI zeigt? Dann kann ich nicht erkennen, warum Du beim Layouten mit der Platzierung der Bauteile Probleme bekommst. Zunächst war ich erstaunt, dass das IC (ist ja ein SOC) so wenig Masseanschlüsse hat. Der Chip holt sich die Masse von dem Pad unter dem Gehäuse. Da mußt Du unbedingt Schlitze in dem Layout vermeiden! Da Du einen Stecker mit 30 pin verwenden willst, ist hier wichtig, ebenfalls keine Schlitze oder Fahnen in der Masse zu erzeugen. Fahnen würden wie Stichleitungen wirken. Mir ist noch nicht ganz klar, wie Du den Chip löten willst. Soll das ein Bestücker machen? Das wird sicher nicht mit Einzelstückzahlen ohne "Probleme" erfolgen. Ich hoffe Du findest noch Zeit zur Beantwortung meiner letzten beiden Beiträge. Gruß Bernd
Hallo Bernd, vielen Dank für das nähere Beschäftigen mit meiner Arbeit!!! Leider habe ich es erst jetzt wieder vor den Rechner geschafft ... Es ist ein Teil meiner Diplomarbeit wobei die eigentliche Schaltung ansich auch nur einen sehr kleinen Teil der Arbeit ausmacht. Dementsprechend habe ich aber (Gott sei dank) auch einen Spektrumanalyzer zur Verfügung. Wie du schon richtig gesehen hast, soll die Schaltung von PCB-Pool gefertigt und auch bestückt werden (Stückzahl 5, dient ja noch dem Prototyping). Multilayer war von mir eigenltich angedacht, da es mir ermöglicht die vielen Leitungen vom SoC zu den Connectoren zu routen, was sonst aufgrund der geringen PCB-Fläche recht schwierig wäre (bzw. diese eben größer werden würde). Der Aufbau des Referece-Layouts von TI verwendet ja eine microstripantenne, während ich eben die Molex-Antenne bevorzuge aufgrund des kleineren Flächenbedarfes. Die Antenne von TI ist ja shcon breiter als mein ganzes PCB :-) Nur wie gesagt geht es in meinem Falle auch nicht darum weite Entfernungen zu überwinden. Keine Sorge übrigens bezüglich der Batterie: Die Energieversorgung wird über den Connector von "außen" geregelt. Ehrlich gesagt weiß ich gerade nicht, was du mit "Fahnen" meinst. Der 30Pin-Connector ist jedoch ein SMT-Bauteil und die meisten Anschlüsse gehen direkt zum SoC. Zum grundlegenden Problem scheint es mir aber so zu sein, dass SoC, Balun und Antenne also schon auf einer Platinenseite liegen müssen, da es sonst Probleme mit den Durchkontaktierten Signalleitungen geben könnte bzw. diese sonst eh noch mehr Platz benötigen würden?! Grüße -Marc
Ach eins noch: bezüglich der Antennendoku hast du natürlich recht: Die Achse in Abbildung 10 scheint falsch zu sein und stimmt ja auch nicht mit ihrer Überschrift überein :)
Hallo Marc, für einen Teil einer Diplomarbeit erscheint mir das sehr umfangreich. Wieviel umfasst wohl die ganze Diplomarbeit? In so einem Fall hätte ich wohl auf das EVM von TI zurück gegriffen. Sollte es wirklich für USD 99,00 erhältlich sein, sind die Kosten vielleicht sogar niedriger als bei einem Aufbau selbst. Auch wäre das Risiko, das bei solchen Schaltungsentwicklungen vorliegt niedriger. In jedem Fall hätte ich mindestens ein EVM bestellt und getestet. Aber das liegt in der Verantwortung Deines Betreuers, bzw. Profs. Zum Design: Mit "Fahnen" meine ich Abschnitte von Masse, die wie leerlaufenfe Leitungen aussehen, auch ziemlich breit. Sollen denn die Quarze auch auf die Leiterplatte , oder wird der Takt über den Steckverbinder eingespeist? Da sicherlich eine Menge "Debugging" stattfinden wird, empfehle ich noch eine Koaxbuchse vorzusehen. Auf dem EVM kann man durch Umlöten eines Kondensators das Antennensignal auf eine SMA-Buchse leiten. Günstig sind kleinere Buchsen, wie sie in Bluetooth- oder WLAN-Modulen bei den Laptops eingesetzt werden. http://www.te.com/catalog/feat/en/c/15535?BML=10576,17639 Den Anschluss mach ich immer über ein dünnes Koaxkabel auf einen SMA-Übergang, fixiere die Anordnung und gehe dann mit einem entsprechenden Kabel zu den Meßgeräten. Man könnte auch darüber nachdenken, ob man über ein OSMT/OSMT-Kabel zu einer Antenne kommt, die abgesetzt ist. Da die Stromversorgung ja dann ebenfalls über den Steckverbinder erfolgt, sollte man auch da etwas machen. Ein Filter, wie weiter oben von Dir nachgefragt ist sicherlich nicht ausreichend... So, Dein Betreuer darf dann auch einmal Verantwortung übernehmen ... Viel Erfolg! Bernd (Nachbearbeitung: Deine Frage wg. Durchkontaktierung - keine Leitungen oberhalb 100MHz durchkontaktieren / versuche oberhalb 10MHZ (in diesem Fall) ohne Durchkontaktierungen auszukommen.)
Hallo Marc, ich möchte Deine Aufmerksamkeit noch auf http://www.elektroniknet.de/halbleiter/sonstiges/?_aid=105790&gid=4362&cp=4 lenken. Die Antennen für 2.45GHz findet man oben und unten. ... und siehe da, jeweils eine kleine Koaxbuchse. Da es sich hier um ein Massenprodukt handelt, versucht man ja schon an Bauteilen zu sparen um den Preis niedrig zu halten. Gruß Bernd
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