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Forum: HF, Funk und Felder Mikrostrip Patch Antenne - Slot zur Bandbreitenerhöhung


Autor: Daniel R. (sparker)
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Hallo,

ich möchte die Bandbreite einer einfachen rechteckigen Patch-Antenne mit 
Inset-Feed von (aktuell) 100MHz auf 200MHz erhöhen, Grundfrequenz ca. 4 
GHz.

Dazu habe ich gesehen, dass es als relativ einfache Möglichkeit die 
Option geben soll, einen (nichtleitenden) Schlitz in die Antenne zu 
machen um eine zusätzliche "Resonanzfrequenz" in dr Nähe der 
Grundfrequenz zu erzeugen.

Ich habe die Basisantenne in ADS im Schematic erstellt und simuliert und 
im Layout mit Momentum nachsimuliert und die Länge solange verändert, 
bis meine gewünschte Frequenz erreicht wurde und das eben mit 100 MHz 
Bandbreite.

Nun habe ich zunächst einen Slot, der normal (senkrecht) zum Inset-Feed 
Port liegt, erstellt und habe mir gedacht, ich verwende mal den 
Optimizer, um Breite, Länge und Höhe des rechteckigen Schlitzes so zu 
verändern, dass zuletzt mein Bandbreitenwunsch im vorgegebenen 
Frequenzbereiche erfüllt wird.
Dabei erhalte ich aber keine brauchbaren Ergebnisse.

Ich habe auch versucht, einen sogenannten U-Slot zu basteln (siehe ein 
Beispiel im Anhang), aber in der Optimierung sieht es so aus, als würde 
er mir den am liebsten unendlich dünn und lang machen wollen (also 
wegoptimieren, ich habe natürlich Grenzen gesetzt).

Kann man das irgendwie analytisch berechnen, wie die Maße sein sollen, 
so als Basis? Ich finde nämlich dazu nichts...
Hat dazu jemand eine Idee?

Danke!

Autor: Daniel R. (sparker)
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Ich bin bzgl. Slot nicht weitergekommen,
habe aber durch ein 2x1-Array die gewünschte Bandbreite generiert.

Nun das nächste Problem:
Ich habe eine Gerber-Datei aus ADS erstellt und versucht in Eagle 8.4.2 
einzubinden, aber das Feed-Netzwerk macht Probleme (siehe Anhang), im 
normalen Gerber-Viewer schaut alles ao aus, wie es sein soll, aber in 
Eagle nicht.

In Kicad (Für Gerber-Files habe ich keine Import-Funktion gefunden) hab 
ich es über eine DXF-Datei einzubinden versucht, aber das hat überhaupt 
nicht geklappt.


Kann mir jemand sagen, was ich falsch mache oder wie ich das Problem 
beheben kann?

Autor: Purzel (Gast)
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Solange die Struktur so einfach ist, wuerde ich sie mit Traces 
nachmalen.

Autor: Martin L. (mla)
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Hallo Daniel,

Daniel R. schrieb:
> ich möchte die Bandbreite einer einfachen rechteckigen Patch-Antenne mit
> Inset-Feed von (aktuell) 100MHz auf 200MHz erhöhen, Grundfrequenz ca. 4
> GHz.

Normalerweise erreicht man mit einer einfachen Patchantenne ~5% relative 
Bandbreite. D.h. bei 4GHz sollte man 200MHz erreichen können. Das setzt 
aber voraus, dass das Substrat ausreichend dick ist.

> Dazu habe ich gesehen, dass es als relativ einfache Möglichkeit die
> Option geben soll, einen (nichtleitenden) Schlitz in die Antenne zu
> machen um eine zusätzliche "Resonanzfrequenz" in dr Nähe der
> Grundfrequenz zu erzeugen.

Ja. Funktioniert. Auch abgeschrägte Ecken und/oder Smilies in den 
Antennen.

> Ich habe die Basisantenne in ADS im Schematic erstellt und simuliert und
> im Layout mit Momentum nachsimuliert und die Länge solange verändert,
> bis meine gewünschte Frequenz erreicht wurde und das eben mit 100 MHz
> Bandbreite.

Was meinst Du mit "nachsimuliert"? Die Simulation im Schematic nimmt 
Modelle von Leitungen und wenn Du damit eine Patch-Antenne baust kann 
man das zwar simulieren - ist aber komplett falsch.
Man muss also zwingend einen EM-Simulator benutzen um die Antenne zu 
simulieren - mit den MS-Modellen geht es nicht. (Außer Du hast ein 
Patch-Antennen Modell - aber sowas ist mir nicht bekannt.)

> Dabei erhalte ich aber keine brauchbaren Ergebnisse.

Dann schreib uns doch wenigstens mal was Du für Abmessungen hast und 
welches Substrat Du annimmst. Dann können wir es auch mal simulieren und 
Dir Hilfestellung geben.

Viele Grüße,
 Martin

Autor: Daniel R. (sparker)
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Martin L. schrieb:
> Dann schreib uns doch wenigstens mal was Du für Abmessungen hast und
> welches Substrat Du annimmst. Dann können wir es auch mal simulieren und
> Dir Hilfestellung geben.

FR-4 Material (er=4.33, loss tangent=0.022, h=1 mm)
Wp=23 mm
Lp=17.8 mm
Inset Feed=5.4 mm
Gap=0.3 mm

Autor: Daniel R. (sparker)
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Martin L. schrieb:
> Normalerweise erreicht man mit einer einfachen Patchantenne ~5% relative
> Bandbreite. D.h. bei 4GHz sollte man 200MHz erreichen können. Das setzt
> aber voraus, dass das Substrat ausreichend dick ist.

Ja, die 100 MHz waren grob gesagt aus dem Diagramm, genau müssten es 
etwa 140 MHz (|S11| < -10dB) sein und das will ich mindestens etwa 
verdoppeln (am liebsten wären mir sogar 500 MHz - immerhin muss man bei 
dem FR4-Substrat sowieso mögliche Schwankungen berücksichtigen). Dicke 
wie oben geschrieben 1mm.

Martin L. schrieb:
> Ja. Funktioniert. Auch abgeschrägte Ecken und/oder Smilies in den
> Antennen.

Ja, aber kann man das irgendwie abschätzen, welche Dimensionen die Ecken 
z.B. haben sollen. Gibt es in der EM-Simulation in ADS auch eine 
Optimierungsoption? - Ich befürchte nur, dass ich, da ich das Layout aus 
der Schematic mit den MS-Elementen generiere, keinen Parameter 
definieren kann, der optimiert werden soll. Dazu müsste ich die ganze 
Antenne wohl im Layout aufbauen (so wie in HFSS - aber dieses Programm 
gibt mir eine Fehlermeldung beim Port an, wo, soweit ich gesehen habe, 
empfohlen wird, auf ältere Versionen umzusteigen).
So kann ich nur die Abmessungen in Schematic ändern, dann Layout 
erstellen und mit Momentum simulieren und dann nachjustieren.

Martin L. schrieb:
> Was meinst Du mit "nachsimuliert"? Die Simulation im Schematic nimmt
> Modelle von Leitungen und wenn Du damit eine Patch-Antenne baust kann
> man das zwar simulieren - ist aber komplett falsch.
> Man muss also zwingend einen EM-Simulator benutzen um die Antenne zu
> simulieren - mit den MS-Modellen geht es nicht. (Außer Du hast ein
> Patch-Antennen Modell - aber sowas ist mir nicht bekannt.)

Ja, damit hast du wohl recht, war ein paar Hundert MHz Unterschied.

: Bearbeitet durch User
Autor: Martin L. (mla)
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Ich habe es mal durchsimuliert. Die gewünschten 280MHz gehen auch mit 
U-Slot nicht. Dafür ist das Substrat einfach zu dünn. Man kann da evt. 
etwas mit gekoppelten Patches machen - z.T. mit einer Koppelstruktur in 
der Rückseite. Einfacher wäre aber ein dickeres Substrat oder eines mit 
höherem epsilon_r oder eine andere Antenne. Was sind denn die 
Anforderungen, die erfüllt werde n müssen?

Viele Grüße,
 Martin

Autor: Daniel R. (sparker)
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Martin L. schrieb:
> Ich habe es mal durchsimuliert. Die gewünschten 280MHz gehen auch
> mit
> U-Slot nicht. Dafür ist das Substrat einfach zu dünn. Man kann da evt.
> etwas mit gekoppelten Patches machen - z.T. mit einer Koppelstruktur in
> der Rückseite. Einfacher wäre aber ein dickeres Substrat oder eines mit
> höherem epsilon_r oder eine andere Antenne. Was sind denn die
> Anforderungen, die erfüllt werde n müssen?
>
> Viele Grüße,
>  Martin

Danke fürs Simulieren! Schade, was das Ergebnis betrifft.
Ich habe als Höhe mit 1mm einen Kompromiss gewählt, weil ein dickeres 
Substrat wieder Nachteile für andere Komponenten auf der Platine hat.

Benötigt wird im Grunde eine Bandbreite von 150-200MHz, aber aufgrund 
des FR-4-Materials wollte ich sozusagen mögliche Abweichungen der 
Resonanzfrequenz im Rahmen einer Platinenserie (wie hoch die 
Standardabweichung [%] in etwa ist weiß ich nicht - gibt es 
Erfahrungswerte?, letztlich wird man das wohl messen müssen) durch eine 
höhere Bandbreite kompensieren.
Daher war mein Plan etwa 100 MHz draufzuschlagen, kann natürlich sein, 
dass man gar nicht soviel benötigen würde.

VG
Daniel

Autor: Martin L. (mla)
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Hallo,

Daniel R. schrieb:
> Martin L. schrieb:

> Danke fürs Simulieren! Schade, was das Ergebnis betrifft.
> Ich habe als Höhe mit 1mm einen Kompromiss gewählt, weil ein dickeres
> Substrat wieder Nachteile für andere Komponenten auf der Platine hat.

Wie wäre es denn mit einer 1.6mm 4-Lagen PCB? Da kannst Du die HF auf 
TOP mit GND-Plane auf der 1. Innenlage machen. Die Antenne kann dann 
trotzdem mit der gesamten Substratdicke arbeiten.

> Benötigt wird im Grunde eine Bandbreite von 150-200MHz, aber aufgrund
> des FR-4-Materials wollte ich sozusagen mögliche Abweichungen der
> Resonanzfrequenz im Rahmen einer Platinenserie (wie hoch die
> Standardabweichung [%] in etwa ist weiß ich nicht - gibt es
> Erfahrungswerte?, letztlich wird man das wohl messen müssen)

Wenn Du es bei Eurocircuits fertigen kannst, kann ich Dir Messergebnisse 
zukommen lassen.

Muss es unbedingt eine Patch-Antenne sein? Wie wäre es mit einer 
inverted-F oder einem (Butterfly-)Dipol? Oder eine planare 
Yagi/Vivaldi-Antenne?

Viele Grüße,
 Martin

Autor: Daniel R. (sparker)
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Martin L. schrieb:
> Hallo,
>
> Daniel R. schrieb:
>> Martin L. schrieb:
>
>> Danke fürs Simulieren! Schade, was das Ergebnis betrifft.
>> Ich habe als Höhe mit 1mm einen Kompromiss gewählt, weil ein dickeres
>> Substrat wieder Nachteile für andere Komponenten auf der Platine hat.
>
> Wie wäre es denn mit einer 1.6mm 4-Lagen PCB? Da kannst Du die HF auf
> TOP mit GND-Plane auf der 1. Innenlage machen. Die Antenne kann dann
> trotzdem mit der gesamten Substratdicke arbeiten.

Gute Idee, danke.
Das ganze soll möglichst kompakt und vor allem kostengünstig sein (das 
wird bei einem 4 Lagen-PCB nicht mehr zu erfüllen sein), aus Gründen der 
Kompaktheit auch die Patch-Antenne.

Aber ich überlege gerade, ob ich die Antenne nicht auf einer eigenen 
1,6mm-Platine unterbringe; dann benötige ich zwar einen 
Antennen-Steckverbinder, aber das dürfte sich in Grenzen halten.

Könntest du bitte das mit dem Slot mal bei h=1,6 mm versuchen zu 
simulieren?
Ich werde das später versuchen zu simulieren.

Autor: Daniel R. (sparker)
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Bei mir kommt bei h=1,6 mm bis auf eine etwas erhöhte Bandbreite (jetzt 
ca. 170 MHz) sowie etwas bessere Leistungs-Effizienz bzgl. Slots nichts 
brauchbares raus.

Auch mir parasitären Patches (+/- verbunden) keine Verbesserung, dann 
hab ich zwar einen zweiten S11-Einbruch in der Nähe, aber dafür ist die 
Bandbreite noch schlechter bei der ursprünglichen Resonanzfrequenz.

Als letzte Option will ich das in HFSS noch mal versuchen zu simulieren, 
wie oben erwähnt, erhalte ich eine Fehlermeldung, die auch aus 
Forenbeiträgen über Google-Suche nicht zufriedenstellend behoben werden 
kann.
Eigentlich habe ich die Design-Schritte alle aus einem Youtube-Tutorial 
übernommen.


Hier die Fehlermeldung:
[error] Port refinement, process hf3d error: Too few conductors were 
found on port 1.  There should be one conductor for each terminal, with 
one additional reference conductor.  Unintentional contact between 
conductors may cause this error.


Ich habe ein Rechteck der Höhe h und einer Breite wie die Feed-Line am 
Rande des Substrates erstellt und einen "Lumped-Port" zugewiesen.
Dann die Feed-Line zugewiesen und als Referenz die Ground-Plane 
ausgewählt.
Ground-Plane und Feed-Line+Patch sind nicht miteinander elektrisch 
verbunden.
In den Excitations im Project Manager ist an Terminal 1 (bzw. Port 1, es 
gibt ja nur einen) die Feed-Line zugewiesen.
Den "Conductors" wurde das "Perfect E" zugewiesen.

Falls irgenjemand noch einen Tipp dazu hat, wäre ich sehr dankbar.

VG
Daniel

Autor: Daniel R. (sparker)
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So, nun mal ein erstes "Ergebnis".
Ich bin zufrieden, das scheint frequenzmäßig eine Quasi-Punktlandung zu 
sein. :-)

Not macht erfinderisch:
Habe meinen ADALM-Pluto verwendet und zwei dieser Antennen 
(Senden/Empfangen) verwendet, um die Amplitude des Trägersignals als 
Funktion der Frequenz auszumessen und mal einen Plot erstellt.

Es gibt aber auch jemanden, der den ADALM-PLUTO als einfaches 
Reflektometer verwendet (hatte aber dafür einen teuren Koppler benutzt - 
den habe ich nicht):
https://ez.analog.com/university-program/f/q-a/101880/can-adam-pluto-be-used-as-cheap-experimental-scalar-or-vector-network-analyser

Das Matlab-Skript habe ich auch angewendet, übers Spektrum sieht das 
dann nicht so eindeutig wie hier aus, habe das bisher nicht verbessern 
können.
Als Sender habe ich daher ein Trägersignal mit einem ADF4350 erzeugt und 
in die Sendeantenne eingespeist, die Amplitude am Empfänger am 
ADALM-PLUTO in SDRsharp eigenständig angesehen. (Anmerkung: Die 
Leistungsabgabe des ADF4350 ändert sich im angegebenen Frequenzbereich 
um ca. 1.5 dB)

Autor: Daniel R. (sparker)
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Hallo,

eine Frage:
Ich will in der zweiten Version meiner Patch-Antenne eine 
SMA-Durchsteckbuchse anbringen (im ersten Foto ein Beispiel wie es 
geplant wäre), der Innenleiter soll dabei direkt in den Verteilerpunkt 
platziert werden (im zweiten Foto ist die aktuelle Version der Platine 
und der geplante Lötpunkt für den SMA-Innenleiter ist als rotes Kreuz 
markiert)

Und da bin ich mir zwecks Anpassung unsicher.

Sollte oder muss ich hier zwecks Anpassung etwas an der Leiterbahnbreite 
ändern, da dann zwei "50 Ohm-Ausbreitungswege" bestehen?

VG
Daniel

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