GSM PCB-Antenne abstimmen, DIY

Daniel schrieb:
> Leider habe
> ich dafür keine speziellen Messgeräte, und auch mein Fachwissen in dem
> Bereich ist recht spartanisch.

Das ist nicht sehr förderlich und darum kaufen die meisten Menschen 
fertige Module.

> Daher wollte ich hier mal nachfragen, ob jemand Vorschläge hat, wie man
> mit einfachen (günstigen) Mitteln die Antennenperformance auf ein
> vernünftiges Niveau bekommen kann? Es muss nicht perfekt sein, aber wie
> oft, sollte man doch irgendwie halbwegs einfach auf 90-95% kommen?

Ich weiß nicht was du mit Antennenperformance meinst. Prinzipiell eine 
Effizient von 40 bis 50% ist bei PCB-Antennen nicht ungewöhnlich. Die 
haben einfach schlechte Wirkungsgrade. (Dafür brauchst du aber trotzdem 
eine sehr gute Anpassung).

> An Messgeräten steht mir derzeit nur ein Oszi zur Verfügung.
> Einer Anschaffung weiterer Gerätschaften wäre ich nicht abgeneigt, aber
> es sollte nicht zu teuer werden.

Eine Möglichkeit ist ein Spektrumanalysator mit Trackinggenerator. Damit 
kannst du S11 akzeptabel machen. Besser wäre es allerdings wenn du 
Zugriff auf einen Netzwerkanalysator hast. Problem - die "hohe" 
Frequenz. Es gibt bezahlbare VNAs für <1000€ (z.B. 
http://pocketvna.com/). Der Dynamikumfang ist für eine Antenne 
ausreichend. Damit kannst du schon sehr gut anpassen. Das sind halt 
keine Präzisionsmessgeräte, ein Profigerät kostet schnell mal 50k€ und 
mehr. Ich würde mir an deiner Stelle so einen billigen VNA kaufen. Wenn 
du dir einen leihst, dann explodieren die Kosten schnell weil du ihn so 
lange brauchst (du hast ja keine Erfahrung wie man damit umgeht).

Zum Thema Anpassung: Wie das geht steht z.B. hier 
http://www.ti.com/lit/an/swra161b/swra161b.pdf Kapitel 6.1

Ich würde mal bei einer UNI oder einer Entwicklungsfirma fragen....oder 
halt ein Gerät kaufen..
Ein Gerät zu kaufen ist aber glaube ich nur sinnvoll wennst du auch vor 
hast in der nächsten Zeit einiges mit HF zu Machen oder du Amateurfunker 
oÄ. bist,solltest du aber wirklich nur alle 5 Jahre ein PCB mit ner 
Antenne designen würd ich irgendwo fragen.
LG

ok, danke für den tip, schön langsam kommt licht ins dunkel. das 
TI-Dokument ist recht hilfreich.
so ein pocketvna ist ja sogar bezahlbar, und da ich vielleicht öfters 
sowas zu messen habe werde ich die anschaffung näher in erwägung ziehen.
noch eine kurze Frage, hab ich das richtig verstanden, ziel ist es die 
Antenne in die mitte des smith-charts zu trimmen, da ist die antenne in 
resonanz und auf 50ohm. sozusagen das optimum, richtig?


noch eine Frage, ist das dann auch bei einer PCB-Keramik-GPS-Antenne das 
gleiche, oder? die empfängt ja nur die satellitensignale (schickt 
nichts) und reicht die dann zum Empfänger weiter. aus Sicht des 
antennatrimmings ist das aber das gleiche prozedere, die Antenne muss 
aus Empfängersicht auf 50ohm abgestimmt werden, und dann ist sie optimal 
eingestellt. mehr kann ich dann eh nicht mehr machen, da die pcb eh 
schon fertig ist.

danke.

Daniel schrieb:
> das
> TI-Dokument ist recht hilfreich.

Das hier ist fast noch ausführlicher 
http://www.cypress.com/file/136236/download

Daniel schrieb:
> noch eine kurze Frage, hab ich das richtig verstanden, ziel ist es die
> Antenne in die mitte des smith-charts zu trimmen, da ist die antenne in
> resonanz und auf 50ohm. sozusagen das optimum, richtig?

Jein. Die 50R sind sowas wie ein Standard in der HF-Technik. 
(Willkürlich gewählt). Wenn dein GPS-Modul einen 50 Ohm Ausgang hat, 
dann musst du auf 50 Ohm matchen. Hintergrund ist die sog. 
Leistungsanpassung (-> Google). Bei dieser Leistungsanpassung wird die 
maximale Energie von Quelle (Antenne) zu Senke (GPS-Empfänger) 
übertragen. Wenn dein GPS-Modul eine andere Eingangsimpedanz hat, dann 
musst du natürlich auf diese matchen (Datenblatt). Normaler Weise ist 
das aber 50 Ohm.

Genau. Beim Smith-Chart liegen die 50 Ohm in der Mitte (alle Werte 
werden mathematisch auf 50 Ohm normiert). Bei deiner Zielfrequenz (GPS 
L1 Frequenz 1575,42 MHz) sollte die Kurve möglichst nah an 50 Ohm Punkt 
(oder 1 normiert) sein.

Das Smith-Chart ist eine Darstellung mit der man einfach die Anpassung 
ermitteln kann (siehe PDF-Dokumente). Um die Anpassung zu beurteilen ist 
es nur eher schlecht geeignet. Dafür nimmt man eher VSWR oder S11 
Darstellungen. VSWR ist ein umgerechnetes S11 (siehe Link auf Tabelle 
weiter unten). So sieht dann beispielsweise eine angepasste Antenne aus. 
http://www.g8jnj.net/G4JNT%20Helix%20on%20mast%20S11.png

Daniel schrieb:
> noch eine Frage, ist das dann auch bei einer PCB-Keramik-GPS-Antenne das
> gleiche, oder? die empfängt ja nur die satellitensignale (schickt
> nichts) und reicht die dann zum Empfänger weiter.

Ja genau. Dass sie nichts sendet ist eigentlich nur sekundär von 
Bedeutung. Was für den Empfang gilt, das gilt auch für das Senden und 
andersherum. Eine schlechte Anpassung im Empfang ist gerade bei GPS sehr 
schlecht weil die Signalstärke dort sowieso extrem klein ist. Für ein 
Gefühl von Anpassung (was ist eine gute Anpassung) kannst du dir z.B. 
mal eine solche Tabelle nehmen 
https://www.markimicrowave.com/Assets/data/return%20loss%20to%20vswr.pdf
Da kannst du schön sehen wieviel Leistung reflektiert wird (zurück in 
die Antenne) und wieviel Leistung nutzbar ist (Trough-Power). Das gilt 
für das Sende wie das Empfangen. Beim Senden kommt zusätzlich zum 
schlechten Wirkungsgrade noch dazu, dass die reflektierte Leistung 
Schaden im Verstärker / Endstufe anrichten kann, wenn sie nicht 
abgestrahlt wird sondern zurück reflektiert. Das ist aber eher ein 
Problem leistungsstärkerer Sender.

Noch ein Wort zu Antennen / VSWR und S11. Bei Antennen kann man (im 
Gegensatz zu anderen HF-Blöcken) meist nicht den Through-Fall also die 
durchlaufende Leistung messen (S21). Man kann nur messen was von der 
Antenne reflektiert wird (S11). Man sagt also: Wenn nix zurück 
reflektiert wird, dann wird die Antenne das schon alles abstrahlen. (Im 
Empfang gilt das alles analog). Allerdings kann die Antenne die Leistung 
auch "unproduktiv" abstrahlen. Das ist die Kunst des Antennendesigns. 
Die Leistung muss nutzbar abgestrahlt werden (als elektromagnetische 
Welle im Fernfeld). Dafür sorgt die Antennengeometrie. Wenn man möchte, 
kann man das natürlich auch vermessen, dafür braucht man dann eine 
zweite bekannte Messantenne und einen HF-Messraum. Dann kann man genau 
sehen wieviel Leistung abgestrahlt wird weil man sieht wieviel man mit 
der Empfangsantenne wieder aufnehmen kann. Dazu muss man seine 
Empfangsantenne aber natürlich sehr sehr genau kennen. Sowas kann man 
dann aber nur in einem HF-Labor machen. Als einfacher Test taugt 
allerdings die Messung der Anpassung (S11 / VSWR). Dann muss man sich 
darauf verlassen, dass der Antennendesigner sein Handwerk versteht. 
Gerade wenn du eine Chip-Antenne hast, dann könntest du sowieso nur 
wenig machen.

Daniel schrieb:
> mit einer Keramik-PCB Antenne

Dann wird wohl der Hersteller der  Antenne schon die Anpassung gemacht 
haben, und alles, was du da jetzt noch dranklebst, bringt nur Dämpfung.

nachtmix schrieb:
> Daniel schrieb:
>> mit einer Keramik-PCB Antenne
>
> Dann wird wohl der Hersteller der  Antenne schon die Anpassung gemacht
> haben, und alles, was du da jetzt noch dranklebst, bringt nur Dämpfung.

nein, das ist leider nicht so.
der Hersteller kann nur ein Referenzdesign mit auf den Weg geben und 
sozusagen ein paar Empfehlungen, fürs Layout, damit man "nicht zu weit 
weg ist".
Die Referenzdesigns sind aber leider recht idealisiert aufgebaut - zB. 
schöne große Platine und weit und breit nur GND Fläche mit Vias.
Deswegen ist selbst im Referenzdesign eigentlich immer ein Pi-Netzwerk 
vorgesehen, damit man dann die individuelle Abstimmung auf die reale 
Platine und auch Gehäuse und sonstige angrenzende Objekte machen kann.

So auch in meinem Fall.
Die Antenne zeigt grundsätzlich mal Emfang, wird also nicht so weit vom 
Optimum weg sein, aber es geht auf jeden Fall noch besser, und daher 
muss ich mich jetzt um das Trimming kümmmern.
Ich muss sagen, die Inputs von Gast 123 gepaart mit meinen eingestaubten 
Kenntnissen müsste ausreichen.
ich werde mir jetzt so einen pocketVNA holen und dann mal drauf 
loslegen. Freu mich schon drauf.

tnx

Winfried J. schrieb:
> In diesem Ausschnitt vom Cypress Dokument scheint die von dir gesuchte
> Lösung

Ich glaueb er hat eine Keramik-Antenne.

Daniel schrieb:
> Die Referenzdesigns sind aber leider recht idealisiert aufgebaut - zB.
> schöne große Platine und weit und breit nur GND Fläche mit Vias.

Der Hersteller will ja schließlich auch ein möglichst tolles Datenblatt 
ausrucken können. Weniger Massefläche macht natürlich weniger 
Performance. GND Vias sind natürlich super wichtig und sollten zu 
genünge gesetzt sein.

Daniel schrieb:
> ich werde mir jetzt so einen pocketVNA holen und dann mal drauf
> loslegen. Freu mich schon drauf.

Kalibrierkit nicht vergessen und mindestens ein SMA-Kabel m-m nicht 
vergessen! Ob du mit dem Kalibrierkit von PocketVNA glücklich wirst ... 
ich weiß es nicht ...

Christoph K. schrieb:
> http://simcomm2m.com/En/module/detail.aspx?id=138
> Das ist schon ziemlich breitbandig "Quad-band 850/900/1800/1900MHz", ist
> die Keramikantenne auch für alle diese Frequenzen in Resonanz zu
> bringen?

Dies Pi-Schaltung zur Anpassung dürfte eher für kosmetische Korrekturen 
(Gehäuse usw.) geeignet sein. Man kann jede Büroklammer an 
GSM-Frequenzen anpassen. Das Problem ist (wie ich oben schon geschrieben 
habe), dass eine gute Anpassung nicht sagt, dass die Antenne in 
konstruktiver Weise abstrahlt. Das sind dann tolle Nahfeld-E-Sonden. 
Chipantennen bringt man maximal auf 60% Effizienz, wenn man das 
"Referenzlayout" anwendet (also gefühlt 2 Lambda Massefläche um die 
Antenne und nix im Nahfeld). Realistisch sind IMHO in einem Gehäuse bei 
protabler Anwendung eher so 30 bis 35% Effizienz bei guter Anpassung.

123 schrieb:
> Christoph K. schrieb:
>> http://simcomm2m.com/En/module/detail.aspx?id=138
>> Das ist schon ziemlich breitbandig "Quad-band 850/900/1800/1900MHz", ist
>> die Keramikantenne auch für alle diese Frequenzen in Resonanz zu
>> bringen?
>
> Dies Pi-Schaltung zur Anpassung dürfte eher für kosmetische Korrekturen
> (Gehäuse usw.) geeignet sein. Man kann jede Büroklammer an
> GSM-Frequenzen anpassen. Das Problem ist (wie ich oben schon geschrieben
> habe), dass eine gute Anpassung nicht sagt, dass die Antenne in
> konstruktiver Weise abstrahlt. Das sind dann tolle Nahfeld-E-Sonden.
> Chipantennen bringt man maximal auf 60% Effizienz, wenn man das
> "Referenzlayout" anwendet (also gefühlt 2 Lambda Massefläche um die
> Antenne und nix im Nahfeld). Realistisch sind IMHO in einem Gehäuse bei
> protabler Anwendung eher so 30 bis 35% Effizienz bei guter Anpassung.


das ist schon klar, dass man nichts herbeizaubern kann, aber ich will 
halt das Maximum aus meiner PCB rausholen (bzw. zumindest halbwegs nahe 
an das Maximum heran). Es gibt immer ein Maximum, auch die Büroklammer 
hat ein Optimum. Ob das nun 25%, 30% oder 35% sind, werde ich letztlich 
nicht beeinflussen können, darum gehts aber auch nicht.
Zur Not muss ich mich auch auf 1-2 Frequenzen entscheiden, denn auf alle 
4 Frequenzen werd ich es nur schwer schaffen ohne dass das ganze 
ausartet, aber auch das wird verschmerzbar sein.