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Forum: HF, Funk und Felder PCB-Eigenbau-Antenne - Grundsatzfrage (Länge vs. Matching)


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von Daniel R. (anut_peach)


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Hallo zusammen,

ich habe ein kleines IOT-Device mit 2G GSM Verbindung (900/1800MHz).
Bisher habe ich eine Chip-Antenne verwendet mit Anpassung. Die funkt 
zwar einigermaßen, aber da die Bedingungen des Boards immer komplett 
anders sind als im Antennen-Datenblatt arbeiten diese Chipantennen 
allesamt nicht optimal.
Meine GND-Fläche ist nur 30x40mm, und die Antenne hat nur in einer Ecke 
Platz. Der Ausschnitt ohne GND ist hier etwa 14x11mm.
Leider sind die Bedingungen des Boards alles andere als optimal, und 
daher komme ich mit den OutOfTheBox-Chipantennen nicht mehr weiter.
Ich kann das Board nicht vergrößern und das Gehäuse liegt auch an alles 
Seiten direkt an (ca. 1mm Höhe überm Board hab ich Platz, der Rest is 
voller Bauteile).
Daher möchte ich nun einmal probieren, ob ich nicht mit einer 
Eigenbau-Antenne bessere Ergebnisse erzielen kann (kleine 
Rucksackplatine anstatt der Chipantenne).
Ich hab schon unzählige Referenzdesigns angeschaut und mich in das Thema 
eingelesen. IFA, PIFA, Monopole, Mäandered usw ..
Mir steht ein VNA zur Verfügung, und mit Matching komme ich auch klar. 
Ich bin kein Experte, hab aber ein paar Grundkenntnisse.

Hier nun meine Frage1:
Bei der Chipantenne nimmt man das Teil und dann kommt das Matching, mehr 
geht eh nicht.
Bei der Eigenbau-Antenne hab ich eine zusätzliche Option: Ich kann die 
Geometrie anpassen.
Gehen wir mal vom einfachsten Fall aus, ich mach einen Lambda/4 Monopol 
Stab mit 79mm (lambda/4 von 900MHz). Und jetzt kommt bei der 
Impedanzmessung raus, dass der nicht wie gewollt bei 900MHz arbeitet, 
sondern verstimmt ist, zb. durch das Gehäuse.
Soll man nun:
a) die Geometrie der Antenne anpassen (zb. durch Kürzen) und versuchen 
so gut wie möglich auf die gewünschte Frequenz zu kommen, oder
b) die Antenne so lange lassen wie wie sie für diese Frequenz auch sein 
soll, und nur mit Matching die Wunschfrequenz auf 50ohm "hinziehen"?

Frage2: Impedanz 36ohm?
Ich hab in den Recherchen gelesen, dass ein Monopole sowieso immer 36ohm 
hat!??? Das versteh ich nicht? Heißt das, man kann einen Monopole 
sowieso nicht auf die 50ohm abstimmen und 36ohm ist das bestmögliche? 
Oder gibts da das ganze Thema Matching (Smithchart) gar nicht? Oder hat 
einfach ein idealer Monopole 36ohm?

danke für eure Hilfe.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Daniel R. schrieb:

> Leider sind die Bedingungen des Boards alles andere als optimal, und
> daher komme ich mit den OutOfTheBox-Chipantennen nicht mehr weiter.

Diese Chipantennen bieten üblicherweise schon den besten Kompromiss für 
beengte Platzverhältnisse. Wenn du schon für diese keinen Platz hast, 
hast du eigentlich kaum Chancen, dass dein Eigenbau besser wird. Die 
Wunderantenne wurde noch nicht erfunden, und die Physik weigert sich 
hartnäckig dagegen. ;-)

> Gehen wir mal vom einfachsten Fall aus, ich mach einen Lambda/4 Monopol
> Stab mit 79mm (lambda/4 von 900MHz).

Du vergisst dabei komplett, dass eine Monopolantenne auf einer 
Grundfläche (Erdfläche, "ground plane") von lambda/2 Durchmesser stehen 
muss. Nur dann funktioniert sie so, wie das im Bilderbuch steht.

Wenn du davon jetzt einfach mal die Hälfte weglässt (ebendiese Fläche), 
dann kommt da sicher immer noch ein strahlendes Gebilde raus, aber eins 
was irgendwie irgendwohin strahlt, und was außerdem noch fürchterlich 
handempfindlich sein wird.

> Soll man nun:
> a) die Geometrie der Antenne anpassen (zb. durch Kürzen) und versuchen
> so gut wie möglich auf die gewünschte Frequenz zu kommen, oder
> b) die Antenne so lange lassen wie wie sie für diese Frequenz auch sein
> soll, und nur mit Matching die Wunschfrequenz auf 50ohm "hinziehen"?

Geometrie anpassen ist immer besser, als noch weiteres Hühnerfutter ins 
Spiel zu bringen, welches am Ende auch nur wieder potenzielle Verluste 
ins System einbringt.

> Ich hab in den Recherchen gelesen, dass ein Monopole sowieso immer 36ohm
> hat!??? Das versteh ich nicht?

Es ist halt ein halber Dipol, und der gestreckte Dipol hat 73 Ω.

Aber das brauchst du nicht so genau nehmen, Anpassung ist nur die halbe 
Miete. Wenn du wirklich einen Monopol von 36 Ω hättest, wäre das allemal 
eine akzeptable Fehlanpassung, das SWV liegt dann irgendwo bei 1:2. 
Durch die (vermutlich) fehlende Groundplane jedoch steigt der 
Fußpunktwiderstand wieder an (und wird komplex). Du kannst da probieren, 
mit irgendwelchem Hühnerfutter was zu richten, aber nimm die Hand weg, 
und alles ist schon wieder ganz anders.

Am Ende wirst du feststellen, dass die Chipantenne der einfachere Weg 
gewesen wäre, die -5 dBi „Antennengewinn“, die deine Platzverhältnisse 
überhaupt zulassen, zu erreichen …

: Bearbeitet durch Moderator
von Daniel R. (anut_peach)


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Hallo Jörg,
danke für deine Antworten.

Anfangs war ich auch auf dem Stand, dass Chipantennen für kleinen Platz 
optimal geeignet sind, aber eben wie gesagt, die gehen auch von ganz 
speziellen Gegebenheiten aus. Wenn ich mir dann die Chipantenne auf 
meinem Board konkret durchmesse, dann liegt die ganz weit daneben. Hab 
schon verschiedene probiert, immer das Gleiche, komplett verstimmt 
(Primär durch Gehäuse zu nah, zu kleine Massefläche und GND-Fläche zu 
nahe.)
Und hier dann, wie du sagst, mit viel Hühnerfutter versucht die komplett 
verstimmte Chip-Antenne wieder halbwegs hinzubiegen funktioniert nur 
mittelprächtig.

Da kommt eben meine ursprüngliche Frage ins Spiel. Eine eigene Antenne 
könnte ich dann durch Längen-Optimierung und ein wenig mit 
unterschiedlichen Geometrien spielen so hinbekommen, dass die 
Ausgangsbasis schonmal näher dort ist wo sie sein soll, und zwar 50ohm 
bei 900MHz und im Idealfall sogar eine gewisse Breitbandigkeit. Dann 
brauch ich weniger Hühnerfutter.

So nebenbei, ich hab mal nur zum testen ein Loch ins Gehäuse gebohrt und 
ein 8cm Drahtstück (lambda/4 Monopol) gerade nach oben rausstehen lassen 
-> unglaublich gute Performance im Vergleich zur Chipantenne inkl. 
Tuning ;-)
Also die etwas kleinere Massefläche ist doch nicht sooo schlimm.

Hier drängt sich noch eine Frage 3 auf:
Ich hab mal so eine Antenne probiert:
https://www.indiamart.com/proddetail/3g-lte-4g-gprs-gsm-cdma-pcb-antenna-18725688448.html
Die hat ja quasi null Massefläche, und die Performance war auch 
unglaublich gut! (leider hab ich dafür keinen Platz)
Warum, wieso funktioniert das Teil so gut?
Das ist weder ein Dipole, noch hat sie eine große Massefläche, die immer 
überall gefordert wird.
danke.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Hast du denn Platz für einen (ggf. durch zwei Spulen verkürzten) Dipol?

Ob du da 35, 50 oder 70 Ω hast, spielt so gut wie keine Geige. Ein 
Abschlusswiderstand ist ideal angepasst, trotzdem strahlt er nichts ab.

1800 MHz brauchst du bei GSM kaum berücksichtigen, außer vielleicht du 
benutzt einen Telefonanbieter, der für 900 MHz keine Lizenzen hat.

Daniel R. schrieb:
> Warum, wieso funktioniert das Teil so gut?

„unglaublich gut“ ist halt relativ. ;-) Wenn das, was du sonst hast, -8 
dBi bringt, dann ist eine Antenne mit -3 dBi schon „unglaublich gut“.

: Bearbeitet durch Moderator
von Daniel R. (anut_peach)


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Verkürzten Dipol hatte ich bisher noch nicht aufm Schirm. mal schaun ...

Ich hab hier mal eine Sicht auf die Platine angehängt mit Massefläche.
rechts unten ist die GSM-Antenne.
Bitte nicht steinigen, ich weiß, die Voraussetzungen für eine gute 
Antenne sind etwa so gut wie eine Büroklammer in Alufolie gewickelt, 
aber nutzt nix.

Dualband:
ja, da geb ich dir recht, 1800 is uninteressant.
Ich hab in die Richtung schon experimentiert und ich hab mich schon 
gefreut, dass ich meine Chipantenne einigermaßen auf 900/1800 dualband 
trimmen konnte.
Leider verbindet sich das GSM Modul etwa zu 99% nur ins 900er Band.
Daher hab ich jetzt auch für mein Eigenbau-Unterfangen erstmal das 
Augenmerk auf 900MHz gelegt.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Irgendeine Chance für eine Klebeantenne, die du ins Gehäuse von innen 
kleben kannst? Taoglas baut sowas.

Hielte ich für sinnvoller, als in so einer limitierten Ecke was auf der 
Platine unterzubringen.

Ja, die Provider schaufeln sich 1800 MHz lieber für was besseres als GSM 
frei, daher läuft GSM so gut wie nur noch auf 900. Ist für die Antenne 
natürlich einfacher, nur ein Band zu haben. ;-)

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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Hier wäre mal beispielsweise eine, die sogar beide Bänder abdeckt:

https://www.digikey.de/product-detail/de/taoglas-limited/PC30.07.0100A/931-1051-ND/2332678

von Daniel R. (anut_peach)


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Jörg W. schrieb:
> Hier wäre mal beispielsweise eine, die sogar beide Bänder abdeckt:
>
> 
https://www.digikey.de/product-detail/de/taoglas-limited/PC30.07.0100A/931-1051-ND/2332678

nein, gar keine Chance sowas zu positionieren, das hätte ich mir schon 
angeschaut.

von Daniel R. (anut_peach)


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zur Info, DIY funkt ganz gut.

hab mir einige Rucksackplatinen gemacht mit verschiedensten 
Antennendesigns und alle durchprobiert. Dabei waren Planar, Pifa, ifa, 
mono, spiral und Helix, jeweils mit unterschiedlichen Geometrien und 
Längen.
Einige funktionieren bereits jetzt ohne Matching besser als alles was 
ich mit den Chipantennen geschafft habe. (ca. +6db Empfangsleistung)

Ich möchte meine Errungenschaften gerne mit euch teilen.

a) alles was IFA und PIFA ist, kannst für 900MHz vergessen.
da ist offenbar die Frequenz noch zu gering, und der Kurzschluss zu 
heftig. Diese Antennen kommen wohl nicht ohne Grund meist erst bei BT 
und Wlan zum Einsatz.
b) recht gut funktionieren mäanderförmige Monopole.
Hier aber nicht wie erwartet lambda/4, sondern eher die mit einer 
Gesamtlänge von fast lambda/2.
c) auch überraschend gut funktioniert ein helix-design (2-lagig mit 
vias).
länge etwas mehr als lambda/4.

Als nächstes werde ich mir die Antennen noch mit dem VNA anschauen und 
ein wenig rumspielen, ob es mit Matching noch besser geht.
Aber immerhin, jedes db zählt, und das geht schon in die richtige 
Richtung.

von Juergen P. (optronik)


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Hallo Daniel,

sehr interessant! Habe eine ähnliche Thematik in einem anderen 
Frequenzbereich. Könntest du zu b) und c) mal zeigen wie der Platzbedarf 
ist?

Desweiteren wäre interessant zu wissen wie du die Auslegung gemacht hast 
(Tools, ...), oder hast du nur die lambda/2 bzw. /4 "Drahtlänge" als 
Leiterbahn auf die PCB "gewickelt"?

Danke!

 Jürgen

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