Hi!
Angehängt ist das Datenblatt eines Funkmoduls für 868 MHz mit
PCB-Antenne.
Die maximale Sendeleistung beträgt ca. 10 dBm. Aber was darf man dann so
nach einigen Metern noch erwarten? Wieviel kommt da wirklich "raus"?
Ich habe mal so ein Teil zum Testen angeschlossen und sende mit 10 dBm.
In 1 Meter Entfernung dann ein Spekki aufgestellt und einen 15 cm langen
Draht reingestopft.
Empfangen habe ich ganze -45 dBm. Wow.... nur noch 0,0004% Leistung
übrig. Nach 1 Meter Luftstrecke. Kann das wirklich plausibel sein?
Oder vergleiche ich hier Äpfel mit Birnen? Am Spekki habe ich natürlich
den Peak abgelesen, der bei -45 dBm war. Die Energie ist natürlich mehr,
da die Antenne Ihre Leistung über ein Spektrum abgibt. So sehr kenne ich
mich jetzt aber auch nicht aus.
Für eine optimale Leistungsanpassung muss die Fußpunktimpedanz der
Antenne an den Eingang des Speki (50 Ohm) angepasst sein. Stabantennen
haben aber eine große Fußpunktimpedanz. Als Antennenlänge ist 1/4 der
Wellenlänge (hier 8,6 cm) geeignet.
Grüße von petawatt
Flip B. schrieb:> Richtig ausgelegt kommen sie ohne impedanzanpassung aus.
Die Impedanz von Sender und Antenne muss schlicht und einfach zusammen
passen. An einem Sender mit z.B. 200Ω wird dieser gefaltete Monopole
nicht so toll funktionieren.
Und was heißt schon "ohne Impedanzanpassung"?
Jede Antenne funktioniert ohne Impedanzanpassung, wenn man z.B. wie bei
J-Antennen den Anpassteil an eine bestimmte Ausgangsimpedanz des Senders
zum Bestandteil der Antenne erklärt - reine Definitionssache.
Jan schrieb:> Oder vergleiche ich hier Äpfel mit Birnen?
Tust du.
Das Modul spezifiziert eine Senderausgangsleistung von 10dBm, nicht eine
abgestrahlte Leistung von 10dBm ERP und du empfängst mit einer völlig
unkalibrierten Empfangsantenne.
Hmmm wie wichtig ist eigentlich die Anmerkung auf Seite 5?
"A host PCB ground plane around the
MRF89XAM8A acts as a counterpoise to the PCB
antenna. Extend the host PCB top copper ground plane
under and to the left and right side of the module at
least 0.4 inches (1 cm) for best antenna performance."
Ich habe jede Menge Ground Plane drumrum, aber natürlich nichts
isoliertes oder fein rechteckiges, sondern ich habe drauf geachtet, dass
einfach viel Kupferfläche da ist.
Im PDF von Flip B. wird aber extremer Wert auf die Ground Plane gelegt,
so dass ich jetzt verunsichert bin.
Also mal fix mit der Bildersuche nach MRF89XAM8A gegoogelt, wie es
andere machen..... und was soll ich sagen.... ich bin stark irritiert!
KEINER schert sich um die Vorgabe. Selbst das Demoboard von Microchip
scheisst drauf. W T F? Im angehängtes PDF auf Seite 12 kann man schön
sehen, dass da nichts mit "Counterpoise" ist.
Jan schrieb:> ... at least ...> ...> Ich habe jede Menge Ground Plane drumrum, aber natürlich nichts> isoliertes oder fein rechteckiges, sondern ich habe drauf geachtet, dass> einfach viel Kupferfläche da ist.
Was meinst du, was das "at least" bedeutet?
Genau - Mindestabmessungen
Wie sendest du mit dem Teil - FSK (Bitrate?) oder OOK (Bitrate?)? Hast
du noch ein zweites Teil im Raum, mit dem du diese Signale empfängst?
Hast du gelesen, dass du bis zu -107dBm am Empfangsteil in FSK bzw.
-113dBm in OOK erwarten darfst? Warum spielst du mit einer undefinierten
Antenne und Oszilloskop und baust nicht gleich eine realistische
Sende-Empfangsstrecke auf, so dass du ggf. hier Bitfehlerraten messen
kannst? Welche Bitfehlerrate erachtest du als für dich zulässig?
Dein Vorgehen erscheint mir ein wenig seltsam, um es hier höflich
auszudrücken, weil du dich hier nur auf die PCB-Patch-Antenne
versteifst...
Schöne Grüße.
P.S. Hast du schon mal darüber nachgedacht, welche Leistung an der
Antenne deines Navi/Smartphones die Signale der GPS-Satelliten ankommen
und welche Art von Antenne eben diese Geräte haben? Du wirst staunen...
Laut Datasheet ist bei dem Modul das FSK Verfahren immer besser als das
OOK Verfahren, deshalb FSK.
Und die Herangehensweise ist schon in Ordnung, wenn man nebenher auch
noch viel lernen möchte.
Nebenbei gesagt kannst du auch gerne -160 dBm Eingangsempindlichkeit
haben. Das nützt dir alles nichts mehr, wenn da jemand 2 km entfernt mit
10 dBm funkt um sein 20 Meter entferntes Gerät zu erreichen und dir
dabei deinen schwachen Sender einfach übertönt. Der Vergleich mit GPS
hinkt hier ganz gewaltig, da dort kein "Wilder Westen" herrscht. Da
stört ja niemand.
Jan schrieb:> Der Vergleich mit GPS> hinkt hier ganz gewaltig, da dort kein "Wilder Westen" herrscht. Da> stört ja niemand.
Gefährliches Halbwissen. Ist dir schon mal aufgefallen, dass all diese
Satelliten im CDM (code division multiplex) auf der gleichen Frequenz
senden? Von wegen da stört ja niemand...
P.S. Ausserdem gibt es illegale Störsender für diese Frequenz im Handel,
damit z.B. der Kapitän der Landstrasse nach Bedarf seinen Standort oder
seine Route verschleiern kann, um nicht mehr länger vom Chef jederzeit
in der Flottenzentrale verfolgt zu werden.
Schöne Grüße.
Jan schrieb:> KEINER schert sich um die Vorgabe. Selbst das Demoboard von Microchip> scheisst drauf. W T F? Im angehängtes PDF auf Seite 12 kann man schön> sehen, dass da nichts mit "Counterpoise" ist.
Sicher? Ich würde davon ausgehen, dass die Masse des Mainboard hier auch
als HF-Masse für das Antennen-PCB wirkt. Es ist üblich, das so
auszulegen, und die Mindestgrösse dieser Masse ist wichtig. Solche
Module alleine (ohne Mainboard) sind oft nicht auf Resonanz berechnet,
ich hatte dazu mal einen Simulationsbericht geschrieben:
https://muehlhaus.com/support/antenna/pcb-em
Für die PCB-Antennen mit einer ausreichenden PCB-Grösse würde ich mit
-3dBi rechnen. Es gibt einige Minima in der Abstrahlung, u.a. diagonal
über das PCB hinweg.
Zur Berechnung der Dämpfung deiner Übertragungsstrecke kann man diesen
Onlinerechner nutzen:
https://www.pasternack.com/t-calculator-fspl.aspx
Bei 1m Entfernung und zwei 0dBi Antennen wären es 31dB Dämpfung, in
deinem Fall gibt es also deutliche Zusatzverluste. Polarisationsrichtung
muss natürlich beachtet werden und vielleicht auch mal das PCB drehen.
Das Diagramm hat einige Einbrüche.
Viel Erfolg!
Volker
Volker M. schrieb:> Bei 1m Entfernung und zwei 0dBi Antennen wären es 31dB Dämpfung, in> deinem Fall gibt es also deutliche Zusatzverluste.
Gefährliches Halbwissen. Was soll denn hier in 1m Entfernung zur
Dämpfung (Absorption) des Signals führen? Hier ist doch lediglich die
Engergieflussdichte im freien Raum vermindert durch die räumliche
Ausbreitungsfunktion (Richtdiagramm in El und Az) verursacht worden, was
durch die Antenne und das Umfeld um diese Antenne verursacht wird. In 1m
Entfernung ist das räumliche Flächenintegral der Energieflussdichte
annähernd so groß wie das in unmittelbarer Umgebung der Antenne selber.
Wo soll denn hier bitte Dämpfung stattfinden?
Schöne Grüße.
Hallo Volker!
Tolles Dokument. Sehr informativ und es deckt sich mit meinen
Befürchtungen, nämlich dass die Massefläche und die Platzierung einfach
extrem wichtig ist.
Gut, dass man kein Kupfer unter die Antenne legt, ist noch die am
einfachsten zu befolgende Regel und gilt als abgehakt.
Aber das z.B. eine Platzierung in der Ecke besser sein soll als in der
Mitte finde ich schon recht überraschend. Stimmt das so wirklich?
Mittig: VSWR=10
Ecke: VSWR=5
Ein VSWR von 10 ist ja schon 2/3 Reflektion. Und selbst 5 ist noch
relativ viel.... hmmmmmm. :(
Jan schrieb:> Aber das z.B. eine Platzierung in der Ecke besser sein soll als in der> Mitte finde ich schon recht überraschend. Stimmt das so wirklich?
Ja, da kann die Antenne etwas freier abstrahlen. Wobei man die Resonanz
natürlich auch so auslegen könnte dass sie bei Position in der Mitte
passt. Das Antennendiagramm (Lage der Nullstellen) ist dann etwas
anders.
Die ESP32-Module mit eingebauter Antenne sind auch für Modulposition in
der Ecke berechnet, das findet man in den Application Notes und ich kann
das auch in der Simulation nachvollziehen.
Seite 12 hier:
https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_hardware_design_guidelines_en.pdf
Meine Simulationen dazu:
https://muehlhaus.com/support/antenna/esp32-antenna-pcbsize
Viele Grüße
Volker
K. D. schrieb:> In 1m> Entfernung ist das räumliche Flächenintegral der Energieflussdichte> annähernd so groß wie das in unmittelbarer Umgebung der Antenne selber.
Nachtrag dazu, ergänzend zur Friis-Gleichung:
"Unmittelbare Umgebung" bitte in Wellenlängen betrachten! Wir sind bei
868MHz, da ist man bei 1m Entfernung bereits im Fernfeld dieser
Antennen. Deshalb ist die Fernfeldberechnung nach Friis hier anwendbar.
Volker M. schrieb:> Die ESP32-Module mit eingebauter Antenne sind auch für Modulposition in> der Ecke berechnet, das findet man in den Application Notes und ich kann> das auch in der Simulation nachvollziehen.>> Seite 12 hier:> https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_hardware_design_guidelines_en.pdf> Meine Simulationen dazu:> https://muehlhaus.com/support/antenna/esp32-antenna-pcbsize
Ich habe mir das PDF angeschaut und auf Seite 12 finden sich dann die
Positionen, die gut oder schlecht sind. Was ich da aber nicht verstehe
ist, dass Positionen 3 und 4 gut ist, während die gespiegelten
Positionen 1 und 5 NICHT gut sind, obwohl diese auch in einer Ecke sind.
Kannst du das vielleicht noch erklären?
Jan schrieb:> Was ich da aber nicht verstehe> ist, dass Positionen 3 und 4 gut ist, während die gespiegelten> Positionen 1 und 5 NICHT gut sind, obwohl diese auch in einer Ecke sind.
Das ist nicht vollständig symmetrisch, weil die Antenne auf dem Modul
einmal mit dem offenen Ende des Strahlers zur Aussenkante zeigt und im
anderen Fall nach innen.
Volker M. schrieb:> K. D. schrieb:>>> Gefährliches Halbwissen.>> Nein, Studium der Elektrotechnik Fachrichtung Hochfrequenztechnik>>> Was soll denn hier in 1m Entfernung zur>> Dämpfung (Absorption) des Signals führen?>> https://de.wikipedia.org/wiki/Friis-%C3%9Cbertragungsgleichung
Ich frage noch einmal: wo findet denn hier eine Dämpfung (z.B. durch
Absoprtion) statt? Der Raum ist frei in Luft oder Vakuum und es wird vom
Sender zum Empfänger keine Energie absorbiert bzw. anderweitig
entnommen.
Was stattfindet ist eine Feldschwächung durch die grössere Entfernung
zwischen Sender und Empfänger und die in alle Richtungen stattfindende
Ausbreitung der Energie statt. D.h. die effektiven Wirkflächen beider
Antennen eines Übertragungssystems können diese Feldschwächung nicht
kompensieren, da die Aperturen weder am Sender noch am Empfangsort
beliebig vergrößert werden können, um diese Feldschächung auszugleichen.
Ich wiederhole mich hier: das vollständige Flächenintegral (zur
Einfachheit eine Kugelfläche) in Sendernähe und das in der
Empfangsentfernung liefert die gleiche Energie, da diese annähernd
verlustfrei im freien Raum abgestrahlt werden kann. Da weder
absorbierendes Material noch die Energieentnahme mittels weiterer
Antennen/Empfänger im Raum stattfindet. D.h. die Gesamtenergie bleibt
konstant und verteilt sich auf einer immer größer werdenden Fläche,
sofern keine Energieumwandlung stattfindet.
D.h. es gibt keine Dämpfung, wohl aber eine Feldschwächung durch die
sich verändernde Energieflussdichte mit zunehmender Entfernung auf der
gedachten Kugeloberfläche, die man aber nicht realistisch mit einer
beliebigen Vergrößerung der Apertur(en) kompensieren kann.
Beispiel: Die Signale vom Mars-Orbiter werden auf dem Weg durch den
freien Raum zur Erde auch nicht gedämpft. Auch hier findet aufgrund der
Entfernung eine Feldschwächung durch die sich ändernde Energieflußdichte
statt. Außerdem wird durch die Apertur der Sendeantenne nur ein kleiner
Teil die Erde erreichen, ein anderer (vielleicht sogar ein größerer)
Teil geht ungedämpft seinen Weg durch den freien Raum, weil die
Richtwirkung der Sendeantenne von der Apertur abhängt, die nicht
beliebig gross gebaut werden kann.
Noch ein Hinweis: eine Antenne hat kein SWR, auch wenn das von Microchip
in der Druckschrift kritiklos so für den Laien dargestellt wird. Eine
Antenne als Zweipol hat einen Fußpunktwiderstand in Form einer Impedanz.
Denn ein SWR findet auf einer Leitung (Koax, Zweidraht, Hohlleiter, opt.
Leitung, etc.) mit endlicher Ausdehnung zwischen Generator und Antenne
statt, auf der durch Überlagerung von hin- und herlaufenden Wellen eine
stationäre Überlagerung dieser Wellen stattfinden kann. Dieses
Wellenverhältnis (d.h. Orte mit konstruktiver und destruktiver
Überlagerung) kann man dort z.B. mittels Reflektometers annähernd
bestimmen und etwas über die wirksame Leistungsanpassung der
Antennenimpedanz an einen Wellenleiter mit Wellenwiderstand aussagen.
Wichtiger sind Kenngrößen einer Antenne wie z.B. Wirkungsgrad, Apertur
(effektive Wirkfläche), Richtwirkung, Baugröße, Ko- und
Kreuzpolarisation, etc.
Schöne Grüße.
>> Der Vergleich mit GPS>> hinkt hier ganz gewaltig, da dort kein "Wilder Westen" herrscht. Da>> stört ja niemand.
OT Natürlich herrscht hier Wildwest! GPS wurde bereits vor
über 20 Jahren ganz gezielt von den Kriegsparteien gestört,
die sich auf dem Balkan gegenseitig massakrierten.
Im Westen wie auch im Osten arbeitet man inzwischen mit weitaus
verfeinerten Methoden:
https://de.wikipedia.org/wiki/GPS-Spoofing
K. D. schrieb:>> Bei 1m Entfernung und zwei 0dBi Antennen wären es 31dB Dämpfung, in>> deinem Fall gibt es also deutliche Zusatzverluste.>> Gefährliches Halbwissen
Bitte nicht andere Beschimpfen! Erst mal selber schlau machen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Freiraumdämpfung
K. D. schrieb:> Was stattfindet ist eine Feldschwächung durch die grössere Entfernung> zwischen Sender und Empfänger und die in alle Richtungen stattfindende> Ausbreitung der Energie statt. D.h. die effektiven Wirkflächen beider> Antennen eines Übertragungssystems können diese Feldschwächung nicht> kompensieren, da die Aperturen weder am Sender noch am Empfangsort> beliebig vergrößert werden können, um diese Feldschächung auszugleichen.
Richtig, genau darauf beruht die Berechnung die ich oben verlinkt hatte
und das Ergebnis von 31dB Dämpfung auf diesem Pfad. Das passt auch zu
meinen Messungen, wenn ich solche 868 MHz PCB-Antennen vorab teste.
> Ich wiederhole mich hier
Unnötig, es gibt gar keinen Widerspruch.
> D.h. es gibt keine Dämpfung, wohl aber eine Feldschwächung durch die> sich verändernde Energieflussdichte mit zunehmender Entfernung auf der> gedachten Kugeloberfläche, die man aber nicht realistisch mit einer> beliebigen Vergrößerung der Apertur(en) kompensieren kann.
Geht es dir um das Wort "Dämpfung", das du offenbar mit Absorption
gleichsetzt? Die Streckendämpfung ist ein üblicher Begriff, aber du
darfst es gerne anders nennen.
Wenn du Haarspalterei um Begrifflichkeiten betreiben möchtest: Danke,
kein Interesse.
Viele Grüße
Volker
Es scheint ja auch wichtig zu sein, dass kein FR4-Basismaterial unter
der Antenne liegt. Volker hat dazu ja eigens Experimente und
Simulationen durchgeführt und ich kann das experimentell nur bestätigen.
Ich verliere gut 15 dB, wenn die Antenne nicht sichtbar ist.
Allerdings scheint es so zu sein, dass das nur für eine sendende Antenne
gilt. Auf Empfangsseite konnte ich keine wirklichen Einbussen messen.
Allerdings ist der RSSI-Wert des Geräts auch sehr ungenau, so dass es
durchaus sein kann, dass da was verloren geht. Ich weiss es halt nicht.
Kann da jemand was zu sagen? Wäre ja toll, wenn man bei reinen
Empfangsgeräten das Funkmodul nicht aus dem Träger-PCB rausragen lassen
muss.
Jan schrieb:> Allerdings scheint es so zu sein, dass das nur für eine sendende Antenne> gilt.
Nein, das ist reziprok und gilt in beide Richtungen, wenn der Empfänger
ebenfalls 50 Ohm hat. Die Theorie ist da eindeutig. In der Praxist
könnte es vorkommen, daß ein auf Rauschzahl optimierter Empfänger von
den 50 Ohm abweicht und zufällig zur (verschobenen) Antennenimpedanz
passt. Das wäre aber ein unwahrscheinlicher Zufall.
Insoweit: ja, gilt für beide Richtungen.
Georg M. schrieb:> Wann wird die PCB-Loop-Antenne präferiert?
Die findet man oft bei 433 MHz-Geräten, wo es relativ zur Wellenlänge
nochmal kleiner sein muss. Im Innenbereich der Loop darf aber nicht zu
viel Metall/Massefläche sein, oder das muss genau berücksichtigt werden
beim Design. Also in deinem Beispiel bezüglich der der Batterie.
Die Loops sind schmalbandig, das muss sorgfältig dimensioniert werden.
Ich habe auch schon ein 433 MHz Fernbedienungs-Design gesehen, wo die
Loop mit Widerstand bewusst schlechter = breitbandig gemacht wurde (Güte
reduziert) um die Resonanzverstimmung durch "Handeinfluss" tolerieren zu
können. Weniger Gewinn, aber VSWR robuster gegen Umgebungseinflüsse.
Viele Grüße
Volker
Volker M. schrieb:> Jan schrieb:>>> Allerdings scheint es so zu sein, dass das nur für eine sendende Antenne>> gilt.>> Nein, das ist reziprok und gilt in beide Richtungen, wenn der Empfänger> ebenfalls 50 Ohm hat. Die Theorie ist da eindeutig. In der Praxist> könnte es vorkommen, daß ein auf Rauschzahl optimierter Empfänger von> den 50 Ohm abweicht und zufällig zur (verschobenen) Antennenimpedanz> passt. Das wäre aber ein unwahrscheinlicher Zufall.
Hmmm aber gilt das auch bei gleichen Leistungen? Bei einer Sendeantenne
müssen ja z.B. 10 dBm durch das FR4. Bei einer Empfangsantenne ist das
ja locker Faktor 1 Mio weniger. Ich kann mir gut vorstellen, dass bei
sehr geringen Anregungen die Materialwechselwirkung auch zum Quadrat
abnehmend ist. In der Natur ist ja alles irgendwie ähnlich zueinander
und wenn man mal die FR4 als Wechselwirkung betrachtet und dann analog
dazu die Wechselwirkung der Atmosphäre auf ein Objekt, welches sich mit
einer Geschwindigkeit V durch sie hindurchbewegt, dann ist die Reibung
ja auch überproportional zu V und damit der Energieentzug grösser, die
Abbremsung also stärker und das könnte analog die Dämpfung im Funk sein.
Bin kein Experte, aber es hört sich halt plausibel an, dass die Dämpfung
zum ² zunehmen muss, denn sonst könnte man ja beliebig viel Leistung
durch ein Objekt schicken und es würde sich nur linear erwärmen, was
mich aber sehr überraschen würde.
Also ja, reziprok, aber nicht streng linear korellativ?
Jan schrieb:> Hmmm aber gilt das auch bei ungleichen Leistungen?
Ja.
> Bin kein Experte, aber
Deine Überlegungen sind falsch, mit Analogien kommt man da nicht weiter.
Ich habe HF-Technik studiert und einen Dr.Ing in HF-Messtechnik gemacht,
bin seitdem in diesem Bereich tätig. Vielleicht magst du mir an dieser
Stelle einfach vertrauen, die vielen Semester Grundlagen können wir
nicht durch einen Forumsdreizeiler ersetzen. Die Antenne ist reziprok
und linear, die relativen Verluste (bzw. Antennengewinn)
leistungsunabhängig und für Senden und Empfang gleichermassen gültig.
Volker M. schrieb:> Jan schrieb:>> Hmmm aber gilt das auch bei ungleichen Leistungen?>> Ja.>> Die Antenne ist reziprok> und linear, die relativen Verluste (bzw. Antennengewinn)> leistungsunabhängig und für Senden und Empfang gleichermassen gültig.
Das was da einen Strich durchmachen könnte wäre die "Überlastung" durch
die Sendeleistung.
Aber die ist ja wohl so gering das diese Möglichkeit ausscheidet.
Kurt
