Forum: HF, Funk und Felder Leiterbahnbreite für 2,45GHz RF Design


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von Developer (Gast)


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Ich versuche gerade zu verstehen, warum mein Rechenergebnis so ist, wie 
es ist. Ich versuche zu ermitteln, wie breit meine Leiterbahn sein muss, 
um 50 Ohm zu erreichen.

Dazu nutze ich den Rechner in KiCad. Dort gebe ich ein:

Er: 4.5 (FR4)
TanD: 2e-2 (FR4)
Rho: 1.72e-8 (copper)
H: 1,6mm
H_t: 1e+20 (was ist das?)
T: 0,035mm
Gleichmäßigkeit: 0 (default)
Frequenz: 2,45GHz

Als Ergebnis erhalte ich eine Leiterbahnbreite von 2,97774mm. So eine 
breite Leiterbahn habe ich jedoch noch nie in einem WLAN / Bluetooth 
Modul gesehen? Ignorieren das alle oder mache ich etwas falsch?

von konzentrierdichaufdaswesentliche (Gast)


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Developer schrieb:
> So eine
> breite Leiterbahn habe ich jedoch noch nie in einem WLAN / Bluetooth
> Modul gesehen?

Auch wenn ich deine Rechnnug nicht überprüft habe sage ich mal
so aus dem hohlen Bauch heraus dass du - genau wie die Vorbilder
die du nennst - kein Stück 50-Ohm-Leitung brauchst da die Leitungs-
länge kurz gegenüber der Wellenlänge ist. Ausserdem ist dies meist
eine kurze Leitung zur Antenne, und dort spielen Fehlanpassung oder
Anpassungselemente eine weitaus gewichtigere Rolle als eine
(korrekte) 50-Ohm-Leitung. Üblicherweise führt aus dem Chip eine
sehr kurze Leitung zu ein paar Anpass-Elementen und schon kommt
die Antenne als gedrucktes Element. Also meist nix mit 50 Ohm.

Andere Version: die Leiterplatte deiner Vorbilder ist dünner und
damit wird auch die Leitung schmäler.

Kommt mir ein bisschen so vor wie die Leute die eine differentiele
USB Leitung bis aufs Zehntel genau gleich lang machen. Die steigern
sich da beim Entwickeln in Teilschauplätze hinein wo es völlig
sinnlos ist.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Doch, das Rechenergebnis von KiCad passt schon ganz gut. Im Anhang 
befindet sich ein Screenshot des Saturn PCB Toolkit, in das ich ähnliche 
Parameter eingegeben habe.

Der Grund für die breiten Leiterbahnen liegt im großen Abstand (1,6mm) 
zwischen der Leiterbahn und Bezugsfläche. Im Frequenzbereich um 2,4 GHz 
trifft man jedoch fast immer auf Multilayer, bei denen der Abstand 
zwischen innerer Masselage und Leiterbahn deutlich geringer ist.

von Developer (Gast)


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konzentrierdichaufdaswesentliche schrieb:
> Üblicherweise führt aus dem Chip eine
> sehr kurze Leitung zu ein paar Anpass-Elementen und schon kommt
> die Antenne als gedrucktes Element. Also meist nix mit 50 Ohm.

Es gibt da aber Schaltungen wie ein ESP8266, bei dem wirklich nur ein Pi 
Filter zwischen CHip und Antenne hängt und dann gibt es eine Schaltung 
wie bei dem neuen STM32WB µC, dort hast du zwei Pi-Filter, einen 
Bandpass und noch einen 10nF Kondensator. Was sollen diese Unterschiede?

Ist RF tatsächlich mehr Sein, als Schein? Kurze Leitungen, ein Pi-Filter 
und eine inverted F Antenne? Wann braucht man so ein Abschirmungs 
Metallgehäuse?

von Volker M. (antennensimulation)


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konzentrierdichaufdaswesentliche schrieb:
> Üblicherweise führt aus dem Chip eine
> sehr kurze Leitung zu ein paar Anpass-Elementen und schon kommt
> die Antenne als gedrucktes Element. Also meist nix mit 50 Ohm.

Naja, das mag es auch geben. Ich arbeite in Projekten mit, wo die 
Entwickler das schon sauber Layouten. So kurz, daß man den 
Wellenwiderstand völlig vernachlässigen kann, ist die Leitung bei 
2,45GHz selten.

Der Trick ist, wie oben bereits geschrieben wurde, einerseits der 
geringere Masseabstand bei Multilayer und andererseits kann man auch 
durch zusätzliche seitliche Massen den Kapazitätsbelag erhöhen -> 
erforderliche Leiterbreite sinkt.

Developer schrieb:
> Wann braucht man so ein Abschirmungs Metallgehäuse?

Zum Abschirmen, so banal das klingt. Abschirmen um nicht andere Systeme 
zu stören und um selbst nicht gestört zu werden. Wenn du ein System 
offiziell zulassen möchtest gibt's entsprechende Grenzwerte, beim 
Eigenbau ignorieren viele die großzügig.

von Developer (Gast)


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Volker M. schrieb:
> Der Trick ist, wie oben bereits geschrieben wurde, einerseits der
> geringere Masseabstand bei Multilayer und andererseits kann man auch
> durch zusätzliche seitliche Massen den Kapazitätsbelag erhöhen ->
> erforderliche Leiterbreite sinkt.

Ah prima, das heißt koplanarer Wellenleiter mit Massefläche. Dort komme 
ich auf 1mm, das ist perfekt!

von konzentrierdichaufdaswesentliche (Gast)


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Developer schrieb:
> Ah prima, das heißt koplanarer Wellenleiter mit Massefläche. Dort komme
> ich auf 1mm, das ist perfekt!

Ich behaupte immer noch dass du keine 50-Ohm-Leitung brauchst. Das
spielt erst dann eine wichtige Rolle wenn man HF über einen breiten
Frequenzbereich und lange Leitungen transportieren möchte. Das
2.4 GHz Nutzband ist nur ein sehr schmales Band.

Viel wichtiger ist es die Quell- und Ziel-Impedanz möglichst gut
aufeinander abzustimmen. Das lassen die meisten ausser Acht und
beruhigen ihr Gewissen mit 50-Ohm-Leitungen. So wie die 100MHz-
SDRAM-Jünger die sich ihre Orgasmen bei den Mäander-Strukturen
zur Längenkompensation holen.

von Sven B. (scummos)


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Die ~3mm Breite für FR4 mit ~1.5mm Dicke sind korrekt, das hab ich noch 
im Kopf ;)
Wenn du Multilayer-Platinen nimmst, werden die allerdings deutlich 
dünner, weil der Abstand zwischen Massefläche und Leiterbahen abnimmt.

Dazu kommt, wie schon gesagt wurde: konzentrier dich lieber darauf, dass 
die Leiterbahn kurz ist. Wenn die nur 5mm lang ist, ist die Breite 
auch wurscht.

von Volker M. (antennensimulation)


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konzentrierdichaufdaswesentliche schrieb:

> Ich behaupte immer noch dass du keine 50-Ohm-Leitung brauchst. Das
> spielt erst dann eine wichtige Rolle wenn man HF über einen breiten
> Frequenzbereich und lange Leitungen transportieren möchte. Das
> 2.4 GHz Nutzband ist nur ein sehr schmales Band.

Das ist so weit vereinfacht dass es falsch ist.

Impedanztranformation durch Leitungen hat nichts mit der Bandbreite zu 
tun. Kurze Leitungen (unter 1/10 Wellenlänge) haben wenig Effekt, das 
ist richtig.

Trotzdem sollte man das nicht beliebig dimensionieren. Bei einer 
schmalen Leitung von 5mm Länge hast du schnell ein paar nH Induktivität 
und das macht bei 2.45GHz gleich mal zig Ohm Blindwiderstand, mit 
entsprechender Fehlanpassung.

> Viel wichtiger ist es die Quell- und Ziel-Impedanz möglichst gut
> aufeinander abzustimmen.

Das dürfte selbstverständlich sein.

von dfIas (Gast)


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So genau muss die Anpassung nun auch nicht sein. Ein SWR von 2 
(entspricht im rein reellen Fall 25 oder 100 statt 50 Ohm) bedeutet 
einen Verlust von nur rund 10 %, also Peanuts. Bei breitbandigen 
Anwendungen wären dann Einflüsse wie Dispersion (frequenzabhängige 
Gruppenzeit) eher schädlich.

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