Forum: Platinen miniaturisierte Schaltung mit matched Impedance Leitung zum Anschluss einer 2,4GHz-Antenne


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von Momentum (Gast)


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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

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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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.

: Bearbeitet durch Moderator
von Momentum (Gast)


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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!

von Bernd B. (Gast)


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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

von Momentum (Gast)


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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?

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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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.

von Bernd B. (Gast)


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Hallo Momentum,

wie Jörg schreibt, genau so machen.

Vielen Dank auch für den Hinweis zu der kleinen Antenne von Molex.

Gruß

Bernd

von Momentum (Gast)


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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?

von Bernd B. (Gast)


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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

von Momentum (Gast)


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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 :-/

von Bernd B. (Gast)


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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

von Momentum (Gast)


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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

von Bernd B. (Gast)


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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

von Bernd B. (Gast)


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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

von Momentum (Gast)


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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

von Momentum (Gast)


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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 :)

von Bernd B. (Gast)


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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.)

von Bernd B. (Gast)


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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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