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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Small Antenna Design bei 433 MHz


Autor: Felix (Gast)
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Hallo Zusammen,

ich will für meinen Transceiver RFM24W von Hoperf eine möglichst kleine 
Antenne konstruieren. Dazu will ich bei 433,92 MHz entweder eine IFA- 
oder Helical-Antenne konstruieren.

Leider steht diesbezüglich fast gar nichts im Datenblatt und die 
Applikationen von Hoperf sind auch nicht ausführlich genug.

Ich habe eine sehr nützliche Application von Mircel RF Products 
gefunden. Hier wird auch sehr gut erklärt, welche Dimensionen ich im 433 
MHz-Band für eine PCB-Helical-Antenne benötige, welche Impedanz diese 
Antenne im 433 MHz hat und wie eine mögliche Impedanzanpassung auf 50 
Ohm aussieht (Im Anhang befindet sich ein Foto dieser Seite und auch das 
Datenblatt).

Wie kann man eine PCB-Antenne (gedruckte Antenne) selbst erstellen. 
Braucht man dafür eine weitere Software oder kann man es auch mit der 
entsprechenden Leiterplattensoftware gestalten?

Was meint Ihr, kann ich Alternativ eine Helical-Antenne kaufen und 
dieselbe Netzwerkschaltung anwenden, die eigentlich für die 
PCB-Helical-Antenne vorgesehen ist?

Woher weiß man eigentlich, dass an dem Funkmodul 50 Ohm liegt und an 
welchem Port an dem Funkmodul müsste ich meine Netzwerkschaltung für die 
Impedanzanpassung anschließen?

Eine weitere Alternative ist die IFA-Antenne. Diese will ich wie auf dem 
Foto gestalten. Meine IFA-Antenne besteht aus Kupfer hat eine Höhe von 
20 mm (Bruchteil der Wellenlänge) von der Platine. Bei 433 MHz eine 
Wellenlängee von 173mm (Lambda/4), die ich über meine Platine (65mm * 
32mm ) wickeln werde.

Bei der IFA-Antenne soll es möglich sein, die Impedanz auf 50 Ohm 
einzustellen, in dem die Entfernung zwischen dem Einspeisepunkt und dem 
Kurzschlussstift angepasst wird. Dazu habe ich aber keine Formel o.ä. 
gefunden-. Wie kann ich die Entfernung zwischen den beiden Punkten und 
die Impedanzanpassung ins Verhältnis setzten?

Muss ich bei einer Dicke von 1 mm auch den Verkürzungsfaktor 
berücksichtigen?

Bezüglich der Höhe einer IFA-Antenne steht, dass es ein Bruchteil der 
Wellenlänge haben soll. Also spielt die Genauigkeit der Höhe keine große 
Rolle? Da mein Kupferdraht nicht isoliert ist, will ich deshalb die 
Anschlussstifte der IFA-Antenne ca. 20 mm hoch gestalten.

Hier weiß ich auch wieder nicht mit welchem Pin von meinem Funkmodul ich 
die Antenne verbinden soll.  Kann ich den 2. Kurzschlusskontakt einfach 
mit einem Lötpad kurzschließen, oder muss dieser Lötpad zusätzlich noch 
eine Verbindung zur Masse meiner Gesamtschaltung haben?

Vielen Dank.

Gruß Felix

Autor: Harry L. (mysth)
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Ohe geeignete Messgeräte
z.B. sowas:
https://www.wimo.com/minivna-network-analyser_e.html

ist das ein reines Glücksspiel ob du auf 50 Ohm Impedanz kommst.
Such dir lieber eine fertige -verkürzte- Antenne.
Die gibts auch bei Wimo.

: Bearbeitet durch User
Autor: Wolfgang (Gast)
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Harry L. schrieb:
> Such dir lieber eine fertige -verkürzte- Antenne.

Oder eine richtige Helix-Antenne mit vernünftigem Antennengewinn, 
allerdings nicht unbedingt small ;-)
https://de.wikipedia.org/wiki/Wendelantenne

Autor: Bernd K. (prof7bit)
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Felix schrieb:
> PCB-Helical-Antenne

Was soll das sein? Eine Wendelantenne ist ein dreidimensionales Gebilde, 
wie bekommst Du das auf eine zweidimensionale Kupferlage?

Autor: Felix (Gast)
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Harry L. schrieb:
> Ohe geeignete Messgeräte
> z.B. sowas:
> https://www.wimo.com/minivna-network-analyser_e.html
>
> ist das ein reines Glücksspiel ob du auf 50 Ohm Impedanz kommst.

Warum soll das ein Glücksspiel sein? Ich habe doch ein Datenblatt vom 
Hersteller über die PCB-Helical-Antenne gefunden und frage welcher Port 
der Eingang zum Funkmodul ist.

> Such dir lieber eine fertige -verkürzte- Antenne.
> Die gibts auch bei Wimo.

Autor: Felix (Gast)
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Wolfgang schrieb:
> Harry L. schrieb:
>> Such dir lieber eine fertige -verkürzte- Antenne.
>
> Oder eine richtige Helix-Antenne mit vernünftigem Antennengewinn,
> allerdings nicht unbedingt small ;-)
> https://de.wikipedia.org/wiki/Wendelantenne

Soweit kann ich auch denken. Meine Antenne MUSS!!!!!! klein sein.
Ich habe schon bei Microcontroller.net in diversen Foren reingeschaut 
und mir  fällt auf, dass immer dieselben Leute einfach einen auf 
Besserwisser tun, anstatt zu helfen.

Ich habe da um die 8 oder 9 Fragen und du kommst mir mit einer größeren 
Antenne oder einer Wikipedia-Seite an. Entweder helfen oder sich mal ne 
andere Beschäftigung suchen, in der man die Lebensfrust anderweitig 
rauslassen kann.

Autor: Felix (Gast)
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Bernd K. schrieb:
> Felix schrieb:
>> PCB-Helical-Antenne
>
> Was soll das sein? Eine Wendelantenne ist ein dreidimensionales Gebilde,
> wie bekommst Du das auf eine zweidimensionale Kupferlage?

Was das sein soll steht im Datenblatt des Herstellers. Anscheinend kann 
man auch eine gedruckte Helical-Antenne verwenden.

Autor: C. A. Rotwang (Gast)
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Bernd K. schrieb:
> Felix schrieb:
>> PCB-Helical-Antenne
>
> Was soll das sein? Eine Wendelantenne ist ein dreidimensionales Gebilde,
> wie bekommst Du das auf eine zweidimensionale Kupferlage?

Nicht auf eine, sondern auf zwei durch Vias verbundene Kupferlagen:
http://www.radiocad.co.uk/files/2313/7285/8528/Ant...

Das ist zwar nicht rund wie ein Drahtwendel, aber dennoch 
dreidimensional.

Autor: Alex G. (dragongamer)
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Faszinierend auf was für Ideen man so gekommen ist.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Felix schrieb:
> Ich habe da um die 8 oder 9 Fragen und du kommst mir mit einer größeren
> Antenne oder einer Wikipedia-Seite an.

Mit dem Link auf den Wikipedia-Artikel wollte ich dir nur den 
Unterschied zwischen einer echten Helixantenne, wie sie John Daniel 
Kraus erfunden hat, und deinem aufgewickelten Strahler vor Augen führen.

Die schönsten Designbilder mit 1/10-mm genauen Abmessungen funktionieren 
nur bei identischem Trägermaterial und identischem Layout, weil sonst 
die Anpassung und die Resonanzfrequenz weg läuft. Da hilft nur Aufbauen, 
Nachmessen und Redesign. Trotzdem bleibt das ein einfacher verkürzter 
Strahler mit tendenziel reduziertem Wirkungsgrad.

C. A. Rotwang schrieb:
> Das ist zwar nicht rund wie ein Drahtwendel, aber dennoch
> dreidimensional.

Aber nicht im Sinne einer Spule, die auf Grund ihrer Fläche eine 
magnetische Antenne darstellt oder einer Helix-Antenne, die auf Grund 
ihres Umfangs von 1/Lambda und ihren Windungen mit definiertem Abstand 
eine Richtantenne mit Zirkularpolarisation darstellt, sondern ein 
aufgewickelter Draht, damit das Gebilde nicht so lang ist - möglichst 
kompakt auf Kosten der Wirkung.

Autor: C. A. Rotwang (Gast)
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Wolfgang schrieb:

> C. A. Rotwang schrieb:
>> Das ist zwar nicht rund wie ein Drahtwendel, aber dennoch
>> dreidimensional.
>
> Aber nicht im Sinne einer Spule, die auf Grund ihrer Fläche eine
> magnetische Antenne darstellt oder einer Helix-Antenne, die auf Grund
> ihres Umfangs von 1/Lambda und ihren Windungen mit definiertem Abstand
> eine Richtantenne mit Zirkularpolarisation darstellt, sondern ein
> aufgewickelter Draht, damit das Gebilde nicht so lang ist - möglichst
> kompakt auf Kosten der Wirkung.

Sicher?
Ich seh da schon, das die helical PCB aufs Lambda für GHz abgestimmt ist 
wie eine Helix-Antenne und nicht nicht wie eine Gummiwurst im 100 MHz, 
bei denen die Wellenlänge sehr viel größer ist als die Windung.
Aufgewickelte Drähte sind die einlagigen PCB Antennen, hier wird aber 
über zweilagen und vias tatsächlich ein Raum fürs innere Magnetfeld 
umfasst.
Und die Leiterzüge bei einer helical PCB liegen auch nicht Parallel 
nebeneinander wie bei einem Wickel sondern ZigZiag beim Lagenwechsel wie 
der lang gezogene Wickel einer klassischen Helix-Antenne.
Das kann man auch gut an dem oben verlinkten Beispiel sehen, hier 
nochmal: 
http://www.radiocad.co.uk/files/2313/7285/8528/Ant...

Zum Vergleich das Layout einer "aufgewickelten Draht- PCB-Antenne" :
https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:AN...

Und für solche Antennennimmt man auch Rücksicht auf die Prinzipbedingten 
Inhomogenitäten im Prepreg und gestaltet das Layout so das die 
Matrixstruktur des Gewebes wenig Einfluss hat (ZiGZag-Führung, schräg 
zum Gewebe) - 
http://www.isola-group.com/wp-content/uploads/PCB-... 
S.29 .

Autor: Bernd K. (prof7bit)
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C. A. Rotwang schrieb:
> Nicht auf eine, sondern auf zwei durch Vias verbundene Kupferlagen:
> http://www.radiocad.co.uk/files/2313/7285/8528/Ant...

Ok, das hat zwar was spiralförmiges an sich aber da fehlt noch der 
Reflektor, der müsste links oder rechts im Bild senkrecht stehen. 
Außerdem wird eine Hellix nicht in der Mitte gespeist.

Versteh mich nicht falsch, ich habe keinen Zweifel daran daß dieses 
Gebilde sich in Resonanz bringen lässt und vielleicht auch die passende 
Impedanz haben kann und als brauchbare Antenne wirkt (das verlinkte Bild 
mutet aber eher wie ein verkürzter Dipol an und wird bestimmt auch 
funktionieren) aber der Name ist falsch. Wer auch immer zum ersten mal 
auf die Idee kam dieses Leiterbahngebilde als "Helix Antenne" zu 
bezeichnen konnte damit nur Verwirrung stiften denn das was man 
landläufig unter einer Helix-Antenne versteht ist was vollkommen 
anderes! Eine Gummiwurst zum Beispiel ist auch keine Helix nur weil 
innen drin ein spiralförmig aufgewickelter Leiter steckt. Sie hat immer 
noch die Polarisation und ähnliche Abstrahlcharakteristik eines Lambda/4 
Strahlers, sie strahlt mit linearer Polarisation (parallel zum Leiter) 
in einer Ebene senkrecht zum Leiter. Eine Helix strahlt gebündelt genau 
in die Richtung in die die Spirale zeigt (und nicht senkrecht dazu) und 
ist zirkular polarisiert. Also komplett was anderes.

Dieses Ding aus dem Bild ist also definitiv keine Helix, genausowenig 
wie eine Gummiwurst eine Helix ist nur weil sich was spiralförmiges 
darin befindet. Es ist ein verkürzter Dipol. Die Induktivität der 
Leiterbahnführung bewirkt die Verkürzung.

Autor: C. A. Rotwang (Gast)
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Bernd K. schrieb:
> C. A. Rotwang schrieb:
>> Nicht auf eine, sondern auf zwei durch Vias verbundene Kupferlagen:
>> http://www.radiocad.co.uk/files/2313/7285/8528/Ant...
>
> Ok, das hat zwar was spiralförmiges an sich aber da fehlt noch der
> Reflektor, der müsste links oder rechts im Bild senkrecht stehen.
> Außerdem wird eine Hellix nicht in der Mitte gespeist.
>
> Versteh mich nicht falsch, ich habe keinen Zweifel daran daß dieses
> Gebilde sich in Resonanz bringen lässt und vielleicht auch die passende
> Impedanz haben kann und als brauchbare Antenne wirkt (das verlinkte Bild
> mutet aber eher wie ein verkürzter Dipol an und wird bestimmt auch
> funktionieren) aber der Name ist falsch. Wer auch immer zum ersten mal
> auf die Idee kam dieses Leiterbahngebilde als "Helix Antenne" zu
> bezeichnen konnte damit nur Verwirrung stiften denn das was man
> landläufig unter einer Helix-Antenne versteht ist was vollkommen
> anderes!

Ja da, scheint es tatsächlich Unterschiede zwischen dem deutschen und 
englischen Sprachgebrauch zu geben. Wenn ich den Wikipediartikel recht 
verstehe bezieht sich "helical antenna" tatsächlich nur auf die 
Verwendung von schraubenförmig gewendelten Leitern unabhängig von der 
Polarisation. Im "Normal mode", also wenn Wellenlänge deutlich oberhalb 
des Spiraldurchmesser ist es ein verkürzter Dipol, während im "Axial 
Mode" (wellenlänge im bereich des  Spiraldurchmesser) und mit Reflektor 
eine Zirkulare Polarisation erreicht wird.

Im deutschen dagegen richtet sich die Namensgebung Helixantenne dagegen 
nicht auf die Form einiger Antennenelemente, sondern nach der damit 
realisierten zirkularen Polarisation.

https://en.wikipedia.org/wiki/Helical_antenna
https://de.wikipedia.org/wiki/Wendelantenne

Ich habe versucht dem Rechnung zu tragen, in dem ich (hoffentlich immer) 
den englischen Begriff "helical PCB Antenne" benutzte aber nicht den 
deutschen "Helixantenne".

 Und die einleitende Frage bezog sich auf die Bauform, also wie man mit 
einem zweidimensionalen Werkstück eine dreidimensionale Antenne 
konstruiert. Von Polarisation und Reflektor war da noch nicht die Rede.
Aber schön das wir das gegenseitige Missverständniss aufklären konnten.

Autor: Chris K. (Gast)
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Welchen Antennengewinn oder Wirkungsgrad musst du denn erreichen?
Kompakt und klein kann man eine PCB Loop machen, die per Kondensatoren 
in Resonanz gebracht wird. Nur der Wirkungsgrad ist dann halt nicht 
berauschend, da bei der Antenne die umspannte Fläche ausschlaggebend 
ist.

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