Forum: HF, Funk und Felder PCB Antenne und Leitungsanpassung


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von PCBAntenne (Gast)


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Hallo zusammen,

ich verstehe noch nicht die LeiStungs-bzw. Leitungsanpassung bei 
PCB-Antennen (ist generell noch etwas vage).

"Normalerweise" bestünde die HF-Strecke aus Sender, Zuleitung und 
Antenne: Sender wird auf den Wellenwiderstand der Zuleitung angepasst 
und die Antenne wiederum an die Zuleitung. Also zum Beispiel alles auf 
50 Ohm. In dem Fall sollten kein Reflexionen auftreten.

Aus vielen Datenblättern von unterschiedlichen Chips und Applikation 
Notes sind beispielsweise folgende Annahmen für ein Board zu treffen:
- Der Antennenausgang eines RF-SoC wird durch ein erstes Anpassnetzwerk 
auf 50 Ohm angepasst.
- Eine PCB-Antenne wird durch ein zweites Anpassnetzwerk ebenfalls auf 
50 Ohm angepasst.
- Die Zuleitungen (Transmission Lines) sind nicht näher spezifiziert. 
Generell besteht hier das "System" meist aus RF-SoC und Antenne (und den 
Anpassnetzwerken).

Mir stellt sich die Frage, was überhaupt als Zuleitung angesehen wird? 
In den meisten Layouts folgen dem RF-SoCs dicht (2 mm) die diskreten 
Bauteile der Anpassungsnetzwerke und dann direkt die Antenne. Die 
Verbindungen der der Bauteile untereinander sind nur 0,5 mm lang. Vom 
Pad des letzten Bauteils des Anpassnetzwerks zur Antenne ist die Strecke 
auch nur 0,5 mm. Die Leitungen sind so breit wie das Pad des SoCs: 0,2 
mm. Ich habe ein wenig mit Rechnern für Microstrips rumgespielt und 
komme eher bei 130-160 Ohm Wellenwiderstand raus, jedoch nicht in die 
Nähe von 50 Ohm.

Ich habe hier im Forum mal gelesen, dass die Breite einer Zuleitung erst 
ab einer Länge von 1/10 Lambda interessant wird. Lambda_0(2,4GHz) = 12,5 
cm --> Lambda/10 = 1,25 cm --> Leitungslängen deutlich darunter. Hat 
jemand vielleicht eine Quelle hierfür?

Generell hat dieser Artikel bei mir eher zur Verwirrung beigetragen: 
http://3610.bplaced.net/wordpress/wp-content/uploads/2015/04/Anpassung-Wirkungsgrad-und-Co.pdf
Hier wird deutlich zwischen Leistungs- und Leitungsanpassung getrennt.

Kann ich nicht grundsätzlich sagen, dass in einem HF-System IMMER 
Leistungsanpassung gemacht wird? Und zwar Komponente für Komponente 
(Quelle auf Last: Z_Q = Z_L*). Zuleitungen wären an ihrem Anfang eben 
eine Last und ihrem Ende eine Quelle.

Ich hoffe ich konnte die Frage einigermaßen verständlich formulieren. 
Wie man rausliest, bin ich noch nicht ganz so gut im Thema drin. Ich 
bemühe mich, mögliche Nachfragen ausführlich zu beantworten.

Schönen Abend und vielen Dank im Voraus :)

von vorticon (Gast)


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Bin kein Experte fuer das Thema - aber denke, dass du es prinzipiell 
schon richtig verstanden hast.

Prinzipiell macht man in aller Regel Leistungsanpassung. Wenn eine 
Leitung sehr viel kuerzer als die Wellenlaenge ist, dann aendern sich 
die Feldgroessen (E-Feld / B-Feld bzw. U / I) ueber die Laenge nicht 
wesentlich, etwaige Reflexionen kommen ohne nennenswerte Verzeogerung 
zurueck und fuer die Quelle sieht es so aus, als wuerde die Last direkt 
an der Quelle haengen (statt am Ende der Leitung). Auch eine falsche 
Leitungsimpedanz ist dann irrelevant, denn an der Leitung selbst kann 
keine Verlustleistung entstehen (nur an der Quelle durch 
zurueckreflektierte Wellen).

Prinzipiell unterliegen alle Ueberlegungen anhand von Schaltbildern der 
Einschraenkung, dass man die Bestandteile des Gesamtsystems (Leitungen, 
Schaltglieder) als diskret betrachtet, eigentlich muesste man immer die 
kompletten Maxwell-Gleichungen loesen, aber das ist nicht praktikabel.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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PCBAntenne schrieb:

> Ich habe hier im Forum mal gelesen, dass die Breite einer Zuleitung erst
> ab einer Länge von 1/10 Lambda interessant wird.

Das ist ein grober Richtwert, aber das passt schon so.

Irgendwelche Effekte von Reflektionen an den nicht angepassten
Leitungsenden wirken sich ja nur dann aus, wenn ein merklicher
Laufzeitunterschied vorhanden ist, also die rücklaufende Welle mit
deutlicher Verzögerung wieder am Generator ankommt.

> Lambda_0(2,4GHz) = 12,5
> cm --> Lambda/10 = 1,25 cm --> Leitungslängen deutlich darunter.

Du hast den Verkürzungsfaktor des Platinenmaterials vergessen, aber
ansonsten passt das so.

> Kann ich nicht grundsätzlich sagen, dass in einem HF-System IMMER
> Leistungsanpassung gemacht wird?

Kann man.  Sowie aber eine (elektrisch lange) Leitung im Spiel ist,
ist der Optimalzustand, dass die Impedanz von Quelle und Ziel auch
die der Leitung ist, weil man auf diese Weise Reflektionen vermeidet.

Allerdings ist das nicht immer machbar, zuweilen arbeitet man auch
mit einer Fehlanpassung und kompensiert sie nur auf einer Seite.
Gerade bei Funkamateuren ist diese Methode nicht unbeliebt, wenn man
eine einzelne Antenne über einen relativ großen Frequenzbereich
zwangs-anpasst.  Ist halt nicht optimal, man bekommt zusätzliche
Verluste durch die realen Eigenschaften der verwendeten Elemente
(Kabel und Anpassnetzwerk), d.h. dort wird Leistung in Wärme umgesetzt.

Im Prinzip finde ich den verlinkten Artikel OK, allerdings wird am
Anfang die „Anpassung“ etwas pauschalisiert verkürzt auf die Idee
einer Leistungsanpassung; in der NF-Technik oder beim von ihm genannten
Niederspannungsnetz (230 V) hat man hingegen Spannungsanpassung, also
einen im Vergleich zum Widerstand der Quelle hohe Last.

: Bearbeitet durch Moderator
von Possetitjel (Gast)


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Jörg W. schrieb:

> Im Prinzip finde ich den verlinkten Artikel OK,
> allerdings wird am Anfang die „Anpassung“ etwas
> pauschalisiert verkürzt auf die Idee einer
> Leistungsanpassung;

Das sind offenbar unterschiedliche Sprachtraditionen.

Die eine Schule sagt: "Anpassung" ist der Oberbegriff,
mit dem die Frage nach der Relation von Quelle und Last
bezeichnet wird. Varianten sind Spannungsanpassung,
Stromanpassung, Leistungsanpassung (=Widerstands-
anpassung).

Das ist die Variante, die ich eher fürchterlich finde.

Die andere Schule sagt: In der Relation zwischen Quelle
und Last gibt es drei besondere, markante Zustände:
Leerlauf, Anpassung und Kurzschluss.

Das ist die von mir bevorzugte Sichtweise.

> in der NF-Technik oder beim von ihm genannten
> Niederspannungsnetz (230 V) hat man hingegen
> Spannungsanpassung, also einen im Vergleich zum
> Widerstand der Quelle hohe Last.

Nun, das würde ich einfach Leerlauf nennen. (Wer ganz
genau sein will, kann ja "leerlaufähnlicher Betrieb",
"Quasi-Leerlauf" o.ä. sagen.)

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Possetitjel schrieb:
> Zustände: Leerlauf, Anpassung und Kurzschluss.

Naja, die Last an einem Fahrraddynamo nun als „Kurzschluss“ zu
deklarieren, ist auch irgendwie eigenwillig.  Schließlich ist ein
Kurzschluss normalerweise eher der Inbegriff eines nicht so
wünschenswerten Zustands.

Ich finde Strom-, Spannungs- und Leistungsanpassung da schon die
sinnvollere Wortwahl, aber wie man an deinem Einwand sieht, ist das
offenbar Geschmackssache.

von Possetitjel (Gast)


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Jörg W. schrieb:

> Possetitjel schrieb:
>> Zustände: Leerlauf, Anpassung und Kurzschluss.
>
> Naja, die Last an einem Fahrraddynamo nun als
> „Kurzschluss“ zu deklarieren, ist auch irgendwie
> eigenwillig.

Hmmja... kurzschlussähnlicher Betrieb, ja, durchaus.
Innenwiderstand der Quelle ist deutlich größer als
die Last.


> Schließlich ist ein Kurzschluss normalerweise
> eher der Inbegriff eines nicht so wünschenswerten
> Zustands.

...was aber strenggenommen nur eine gewachsene,
historische Kuriosität ist: Zur Zeit der Bogenlampen
wurden Generatoren mit Stromquellenverhalten benutzt
und die Lampen in Reihe geschaltet. Diese Konfiguration
ist per se kurzschlussfest.
Aus naheliegenden Gründen ist man dann später aber zu
Spannungsquellen und der Parallelschaltung der Verbraucher
übergegangen.

"Kurzschluss" ist vor dem Hintergrund nicht zwingend
"etwas Schlimmes".


> Ich finde Strom-, Spannungs- und Leistungsanpassung da
> schon die sinnvollere Wortwahl, aber wie man an deinem
> Einwand sieht, ist das offenbar Geschmackssache.

Sowieso.
Es ist nur interessant und merkwürdig, dass sich trotz
der über 100jährigen Geschichte der Elektrotechnik kein
einheitlicher Sprachgebrauch herausgebildet hat.

von Test (Gast)


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PCBAntenne schrieb:
> Kann ich nicht grundsätzlich sagen, dass in einem HF-System IMMER
> Leistungsanpassung gemacht wird? Und zwar Komponente für Komponente
> (Quelle auf Last: Z_Q = Z_L*). Zuleitungen wären an ihrem Anfang eben
> eine Last und ihrem Ende eine Quelle.

Ja wobei man (Z_Q und Z_L reel haben möchte und damit das komplex 
konjugierte keine Rolle mehr spielt).

PCBAntenne schrieb:
> Aus vielen Datenblättern von unterschiedlichen Chips und Applikation
> Notes sind beispielsweise folgende Annahmen für ein Board zu treffen:
> - Der Antennenausgang eines RF-SoC wird durch ein erstes Anpassnetzwerk
> auf 50 Ohm angepasst.
> - Eine PCB-Antenne wird durch ein zweites Anpassnetzwerk ebenfalls auf
> 50 Ohm angepasst.

Diesen "Umweg" geht man aus 2 Gründen:
1. Man kann statt der PCB-Antenne ein 50R Buchse bestücken oder ein 50R 
Koaxkabel anlöten -> für eine externe Antenne oder einen Spectrum 
Analyzer zur Messung (Funkzulassung)
2. Messbarkeit. Nur die wenigsten Leute haben die Möglichkeit 
differenzielle Netzwerkanalyse machen zu können. Ohne die könnte man 
kaum vom Senderausgang zur Antenne hin anpassen. Darum der 
Zwischenschritt: IC -> AnpassungIC -> 50R -> AnpassungAnt -> Antenne. 
Dann kann man sich bei den 50R hinhängen und die Antennenanpassung 
machen und umgekehrt die S12 in den Sender hinein.

von PCBAntenne (Gast)


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Hallo Zusammen,

danke für die Antworten. Den von mir verlinkten Artikel fand ich ja auch 
an und für sich ok. Und viele Artikel des Autors haben mir schon 
weitergeholfen.

Ich hatte jedoch den Eindruck, dass momentane Lehrbücher generell eher 
von Leistungsanpassung sprechen, auch wenn es um den Übergang 
Sender-->Leitung geht.

Letztlich muss ich ja "nur" schauen, dass Sender, Leitung und Antenne 
weitgehend stimmen.

Vielen Dank und schönen Abend

von Antennenbauer (Gast)


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Ich möchte das hier nochmal aufgreifen. Beim STM32WB sind auf dem 
Nucleobard zwei Pi Filter, ein 10nf Kondensator und ein 2,45GHz Bandpass 
Filter verbaut.

https://www.st.com/resource/en/application_note/dm00504903-development-of-rf-hardware-using-stm32wb-microcontrollers-stmicroelectronics.pdf

vorticon schrieb:
> Wenn eine
> Leitung sehr viel kuerzer als die Wellenlaenge ist, dann aendern sich
> die Feldgroessen (E-Feld / B-Feld bzw. U / I) ueber die Laenge nicht
> wesentlich, etwaige Reflexionen kommen ohne nennenswerte Verzeogerung
> zurueck und fuer die Quelle sieht es so aus, als wuerde die Last direkt
> an der Quelle haengen (statt am Ende der Leitung). Auch eine falsche
> Leitungsimpedanz ist dann irrelevant, denn an der Leitung selbst kann
> keine Verlustleistung entstehen (nur an der Quelle durch
> zurueckreflektierte Wellen).

Das liest sich für mich so, als ob ich einfach nur die PCB Antenne so 
nah wie möglich den an Mikrocontroller führen müsste. Warum macht dann 
ST diesen komplexen Aufbau?

Ich verstehe noch nicht genau, was das Ziel ist bzgl. der Bauteil 
Auswahl ist? Was bedeutet 50Ohm Anpassung? Von wo nach wo? Und wie messe 
ich diese? Sollen sowohl der Pi Filter der Antenne und am µC diese 50Ohm 
Anpassung erfahren? Kann ich die Auswahl der Bauteile auch theoretisch 
bestimmen oder ist das ein komplizierter Messvorgang?

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