Forum: HF, Funk und Felder Erstes Bluetooth RF Design (pcb antenne)


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von Developer (Gast)


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Ich versuche derzeit für einen STM32WB eine pcb antenne zu routen.
Folgende Überlegungen sind eingeflossen, der aktuelle Stand siehe 
Anhang.

1. Im nucleo board wird eine 50 ohm Anpassung mit pi FIltern gemacht. Es 
gibt aber inzwischen von ST extra Filter, die den nicht auf 50ohm 
angepassten RF pin eben auf diese 50 ohm anpassen. Also verwende ich 
logischerweise diesen Filter. Dabei habe ich mich bei Orientierung, 
Leiterbahnlänge und Breite so wie möglich an die Vorgabe gehalten.

2. In den nucleo boards wird überall ein Bandpass verwendet? Sollte ich 
diesen ebenfalls verwenden? Die Mehrheit an RF Designs die ich finden 
konnte haben keinen Bandpass. Oder heißt es hier "schaden kann es 
nicht"?

3. Die Leiterbahnbreite habe ich auf ca. 1mm gewählt, das rechnet KiCad 
mir aus (siehe anderer Faden hier im Forum; koplanarer Wellenleiter, 
FR4, 1.6mm, 0.2 mm Abstand).

4. Alle Bauteile so nah wie möglich aneinander. Da ich eine Abschirmung 
habe, ist zwischen PI Filter und Bandpass ein etwas längerer Pfad.

Wo ich mir unsicher bin:

1. Den genauen Antennentyp. Es gibt von Silabs ein Antennendesign, von 
ST, von TI ... ich habe hier das von TI genommen weil ich gelesen habe, 
dass eine IFA besser als eine MIFA sein soll. In meinen Footprints habe 
ich nun ca. 5 verschiedene pcb antennen.

2. Was mache ich mit den ganzen Vias? Wo sollte ich Vias platzieren? Nur 
am Rand der GND Fläche? Völlig durcheinander auch auf der Fläche? 
Entlang der Antennenleiterbahnen?

3. Die Antenne sollte vermutlich direkt am Pi FIlter anschließen oder?

4. Wenn ich zwei Bauteile direkt nebeneinander platziere kann ich 
natürlich kaum eine 1mm Leiterbahn verwenden. Ist das ok?

5. Die Kondensatoren sind beim nucleo Board um 180° gedreht, also der 
Massepin schaut nach rechts. Habe ich dann aber nicht einen etwas 
"komplizierteren" und längeren Massepfad?

6. Sind kleinere oder größere Via besser im RF Design?

Insgesamt brauche ich keine perfekt eingestellte Antenne, es ist 
immerhin nur ein Hobbyprojekt. Die Schaltung ist ansonsten fertig und 
sollte BLE nicht funktionieren wäre das schade, aber kein Beinbruch. Es 
wäre trotzdem toll, wenn es im Ansatz funktioniert.

Es ist eine 2 lagige 1,6mm FR4 Leiterplatte.

von Developer (Gast)


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Dieses board beispielsweise nutzt nur den IPD, keine weiteren FIlter. 
Keine Ahnung, ob das funktioniert. Vermutlich weniger, da dort auch die 
Massefläche unterhalb durchtrennt ist, was soweit ich weiß ein NoGo ist.

https://imgur.com/a/WqlbSNb

von Volker M. (antennensimulation)


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Developer schrieb:

> 2. In den nucleo boards wird überall ein Bandpass verwendet? Sollte ich
> diesen ebenfalls verwenden? Die Mehrheit an RF Designs die ich finden
> konnte haben keinen Bandpass. Oder heißt es hier "schaden kann es
> nicht"?

Schaden tut's nicht, und es vermeidet Störungen durch andere starke 
Signal in der Nähe (Mobilfunk, DECT).

> 1. Den genauen Antennentyp. Es gibt von Silabs ein Antennendesign, von
> ST, von TI ... ich habe hier das von TI genommen weil ich gelesen habe,
> dass eine IFA besser als eine MIFA sein soll. In meinen Footprints habe
> ich nun ca. 5 verschiedene pcb antennen.

Ohne Mäander ist der Antennenwirkungsgrad etwas besser und die Antenne 
etwas breitbandiger. Wenn du also Platz hat, dann gerne die Version ohne 
Mäander.

> 2. Was mache ich mit den ganzen Vias? Wo sollte ich Vias platzieren? Nur
> am Rand der GND Fläche? Völlig durcheinander auch auf der Fläche?
> Entlang der Antennenleiterbahnen?

So wie im Screenshot und sätzlich einige in den Flächen, um Resonanzen 
auf den Flächen zu verhindern.

> 3. Die Antenne sollte vermutlich direkt am Pi FIlter anschließen oder?

Für den üblichen Entwurf (Antenne messen und dann ggf. Tiefpass auch zur 
Anpassung nutzen) ist das sinnvoll. Dann muß man keine Transformation 
durch Leitungslänge berücksichtigen.

Wenn die Antenne schon gut auf 50 angepasst ist wäre es egal.

> 4. Wenn ich zwei Bauteile direkt nebeneinander platziere kann ich
> natürlich kaum eine 1mm Leiterbahn verwenden. Ist das ok?

In deinem Screenshot sieht das soweit gut aus. Wenn du zwei parallele 
SMD benötigst wäre das auch vertretbar.

> 5. Die Kondensatoren sind beim nucleo Board um 180° gedreht, also der
> Massepin schaut nach rechts. Habe ich dann aber nicht einen etwas
> "komplizierteren" und längeren Massepfad?

Meinst du im Tiefpass? Das ist egal, beide Massen auf der Oberseite 
müssen sowieso über eine durchgehende Masse auf einer andere Lage 
verbunden sein. Das ist hoffentlich klar.

> 6. Sind kleinere oder größere Via besser im RF Design?

Kann man so pauschal nicht sagen, weil es auf doe Position ankommt. 
Kurze Wege insgesamt für kleine Induktivität, also großes Via mit langer 
Zuleitung ist Mist. In deinem Screenshot ist das soweit ok.

> Es ist eine 2 lagige 1,6mm FR4 Leiterplatte.

Dann muß deine Rückseite die Masseinseln links und rechts der 
Antennzuleitung unbedingt verbinden, und zwar großflächig über die 
gesamte Fläche im Bereich der HF-Zuleitung und bis zum Chip. Ganz ganz 
wichtig! Das HF-Signal in der Masse ist genau so HF-kritisch wie das in 
der Signalleitung. Je länger ich dein PCB anschaue, um so mehr Zweifel 
kommen mir ob du die HF-Masse ausreichend bedacht hast.

Was mir noch auffällt:

Du hast rechts von der Antenne eine dünne Signalleitung. Die ist dort in 
einem Bereich mit hohem elektrischen Feld und wird ganz sicher stark mit 
der Antenne koppeln. Ich habe ihn ähnlichen Fällen schon Probleme 
gesehen.

Die Masse rechts von der Antenne (also dort wo das PCB rechts der Ecle 
weitergeht) wird die Antennenanpassung verändern, wenn sie im 
Originaldesign so nicht enthalten ist. Und die Abstrahlung 
(Antennendiagramm) verändert sie auch. Es wäre geschickter, wenn man die 
Antennen spiegelt so daß das offene Ende links in der Ecke ist. Die 
Zuleitung wäre dann etwas länger, was nicht schlimm ist. Die Einkopplung 
auf die Leitung rechts wäre damit auch kein Problem mehr, weil das hohe 
elektrische Feld dann links in der PCB-Ecke wäre.

Viel Erfolg!
Volker

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von Developer (Gast)


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Volker M. schrieb:
> Dann muß deine Rückseite die Masseinseln links und rechts der
> Antennzuleitung unbedingt verbinden, und zwar großflächig über die
> gesamte Fläche im Bereich der HF-Zuleitung und bis zum Chip.

Die Massefläche auf der Unterseite ist im RF Bereich vollkommen 
durchgängig ohne eine Zerteilung.

Volker M. schrieb:
> Für den üblichen Entwurf (Antenne messen und dann ggf. Tiefpass auch zur
> Anpassung nutzen) ist das sinnvoll. Dann muß man keine Transformation
> durch Leitungslänge berücksichtigen.
>
> Wenn die Antenne schon gut auf 50 angepasst ist wäre es egal.

Die meisten Antennendesigns snd angeblich schon auf 50ohm angepasst. Das 
im Screenshot verwendete TI Design finde ich sehr expressionistisch ;). 
Aber kann ich dann ggf. auch auf den PI-Filter verzichten? Sprich IPD -> 
Bandpass -> Antenne (1mm Zuleitung - in meinem Fall dann eine 50 Ohm 
Leiterbahn)?

Volker M. schrieb:
> Du hast rechts von der Antenne eine dünne Signalleitung. Die ist dort in
> einem Bereich mit hohem elektrischen Feld und wird ganz sicher stark mit
> der Antenne koppeln. Ich habe ihn ähnlichen Fällen schon Probleme
> gesehen.

Das stimmt. Die Signalleitung ist ein DCF77, also nichts schnelles. Wärw 
das immernoch ein Problem? Hilft es, diese ein- oder beidseitig durch 
GND abzuschirmen?

Volker M. schrieb:
> Es wäre geschickter, wenn man die
> Antennen spiegelt so daß das offene Ende links in der Ecke ist.

Siehe Anhang, was nur ein Versuchszwischenstand ist mit Meanderantenne. 
Dort wäre das offene Ende links. Und ohne PI-Filter, um en Abzustimmen 
habe ich sowieo kein Werkzeug zur Hand.

von Volker M. (antennensimulation)


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Developer schrieb:
> Die Massefläche auf der Unterseite ist im RF Bereich vollkommen
> durchgängig ohne eine Zerteilung.

Zeig das noch mal anders. Vielleicht schaue ich falsch, aber das sieht 
falsch aus. Die Masse gehört natürlich NICHT unter die Antenne, die muss 
an der Kante enden wo Masse auf der Oberseite ist.

> Aber kann ich dann ggf. auch auf den PI-Filter verzichten? Sprich IPD ->
> Bandpass -> Antenne (1mm Zuleitung - in meinem Fall dann eine 50 Ohm
> Leiterbahn)?

Ich würde das IMMER mit Pi-Filter bauen, um noch abstimmen zu können 
wenn die Antenne nicht passt. Und das Pi-Filter hilft auch gegen 
Oberwellen, könnte nötig sein je nach Chip.

Für einen ersten Test kannst du ja die C weglassen und den Längspfad mit 
0 Ohm brücken.


> Das stimmt. Die Signalleitung ist ein DCF77, also nichts schnelles. Wärw
> das immernoch ein Problem? Hilft es, diese ein- oder beidseitig durch
> GND abzuschirmen?

Zweimal ja. Aber wenn das "heisse" offene Ende der Antenne links ist, 
dann wird da nichts passieren. Nur in der Version im ersten Beitrag war 
es kritisch.

> Siehe Anhang, was nur ein Versuchszwischenstand ist mit Meanderantenne.
> Dort wäre das offene Ende links. Und ohne PI-Filter, um en Abzustimmen
> habe ich sowieo kein Werkzeug zur Hand.

Wie gesagt, da ist nun die Masse auf der Unterseite zu groß. Im Bereich 
der Antenne wird die Unterseite freigestellt, die Masse geht nur bis zur 
Kante wo Masse auf der Oberseite ist. Der Viafence um die Antenne ist 
natürlich auch falsch, die soll ja abstrahlen und nicht abgeschirmt 
werden.

Zieh die Antenne aber noch etwas raus, damit du an der Kante einen 
Viafence setzen kannst wie im ersten Bild mit der TI-Antenne. Und da 
endet dann oben und unten die Masse, die Antenne ist "frei".

: Bearbeitet durch User
von Developer (Gast)


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Hier mal wieder mit PI Filter und immernoch MIFA. Screenshot von beiden 
Seiten. Warum der GND Pin der Antenne sich nicht solide an die GND 
Fläche koppelt verstehe ich nicht, soll dann aber final so sein :).

Ich würde jetzt noch einige Vias setzen, auch direkt an den C's vom Pi. 
Und das Antennen Gnd eben mit der Masse Fläche verbinden.

Volker M. schrieb:
> Zeig das noch mal anders. Vielleicht schaue ich falsch, aber das sieht
> falsch aus. Die Masse gehört natürlich NICHT unter die Antenne, die muss
> an der Kante enden wo Masse auf der Oberseite ist.

Siehe Anhang. Unter der Antenne natürlich keine Fläche.

Volker M. schrieb:
> Ich würde das IMMER mit Pi-Filter bauen, um noch abstimmen zu können
> wenn die Antenne nicht passt. Und das Pi-Filter hilft auch gegen
> Oberwellen, könnte nötig sein je nach Chip.

Wieder drauf.

Volker M. schrieb:
> Zweimal ja. Aber wenn das "heisse" offene Ende der Antenne links ist,
> dann wird da nichts passieren. Nur in der Version im ersten Beitrag war
> es kritisch.

Merke ich mir, ist umgedreht.

von Developer (Gast)


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Und natürlich würde ich den Platinenumriss an die letztendlich 
verwendete Antenne noch von den Dimensionen anpassen.

von Developer (Gast)


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Auch wenn Doppelpost: Aktuelle Variante im Anhang.

Diese eckige Kurve sticht mir total ins Auge. Ich finde leider keine 
Möglichkeit einer runden Kurve bei KiCad.

Alternativ könnte man versuchen den ganzen Filter etwas zu drehen?

von Volker M. (antennensimulation)


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Das sieht doch gut aus. Die "eckige Kurve" ist hier völlig unkritisch, 
das kann so blieben.

Beim Abstand der PCB-Kontur von der Antenne solltest du dich an der 
Application Note orientieren, wo dieses Design beschrieben ist. Wenn die 
PCB-Kante zu nah am Strahler ist (näher als im Originaldesign) steigt 
die Resonanzfrequenz der Antenne. Also wenn es im Originaldesign 5mm 
Abstand sind (als Beispiel) dann übernimm den Wert.

von Developer (Gast)


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Danke schonmal für deine Hilfe. Wenn ich jetzt noch als Alternative 
einen smd SMA connector anbringen möchte, wo soll ich diesen am besten 
platzieren?

Vermutlich rechts, damit der nicht im offenen Bereich der Antenne liegt 
oder? Dann einfach ein Stück Leiterbahn vom ersten C des PI Filters nach 
rechts? Wie weit sollte der entfernt sein?

Oder sollte ich diesen mit einem C (welchen Wert?) oder 0 ohm Widerstand 
entkoppeln?

von Volker M. (antennensimulation)


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Nimm dafür eine U.FL Buchse, die ist schön klein. Position rechts ist 
sinnvoll.

Ankopplung könnte man so machen, daß du den Tiefpass unbestückt lässt 
und stattdessen von einem der Pads nach rechts einen 0 Ohm als Jumper 
montierst. Dann kannst du mit der Bestückung umschalten, welcher Pfad 
aktiv ist, Antenne oder Coaxausgang.

Gerne macht man das so, daß man durch passende SMD-Bestückung auch einen 
Pfad von der Coaxbuchse zur Antenne herstellen kann, um von der 
Coaxbuchse aus die Antennenanpassung auszumessen. Auch in dem Fall ein 0 
Ohm, der entweder im einen oder im anderen Pfad bestückt wird.

Anstatt des 0 Ohm ein C würde man verwenden, wenn auf dem Ausgang des 
Transceiverchip noch eine Gleichspannung wäre, die geblockt werden 
müsste.

Viel Erfolg!
Volker

: Bearbeitet durch User
von Developer (Gast)


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Volker M. schrieb:
> Anstatt des 0 Ohm ein C würde man verwenden, wenn auf dem Ausgang des
> Transceiverchip noch eine Gleichspannung wäre, die geblockt werden
> müsste.

Das ST nucleo board hat 10nF Kondensatoren im Pfad, viele Schaltungen 
von anderen hingegen nutzen diesen nicht.

Wenn ich den 0 Ohm nicht bestücke hängt jetzt natürlich ein kleiner 
Zipfel am Antennenpfad (rot markiert). Ist das so in Ordnung? Und ist 
die Position vom SMA so in Ordnung?

von Developer (Gast)


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Doppelpost: Ich habe das schonmal angepasst, gefällt mir so besser. Habe 
einfach ein Pad hinzugefügt, so dass da genau ein 0603 drauf passt.

von Volker M. (antennensimulation)


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Ja, das letzte Design sieht gut aus.

Ich würde bei der U.FL Buchse noch Vias seitlich neben den Massepads 
setzen. Also etwas dichter dran als in deinem Layout.

von Developer (Gast)


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Ich habe die Schaltung jetzt aufgebaut und komme kann mich mit der ST 
BLE App und Testfirmware mit dem µC verbinden. Die App sagt "Rssi: 
127db". Ist das gut?

von Developer (Gast)


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Pardon, die App sagt -67db bis -78db.
Ohne 50ohm Anpassung schon ganz gut oder?

von O66LO (Gast)


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danke euch beiden!

ich hatte schon den Glauben an die Menscheit verloren, ist toll heimlich 
hier mitzulesen zu dürfen und zu lernen.

LG
Peter

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