SMD-Chip-Antenne PCB-Design

Sebastian B. OP #7350958
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Guten Abend,

Ich bin gerade dabei mein erstes PCB mit Chip-Antenne zu designen. Final soll es ein kleines Sensorboard mit BLE auf Basis eines STM32 WB55 werden. Praktische Erfahrung habe ich aber noch gar keine mit dem Thema und bin mir folglich etwas unsicher. ich weiß es gibt schon einige Einträge zu dem Thema und habe mir auch einige durchgelesen, aber ich würde mich freuen, wenn jemand mit Ahnung sich das nochmal explizit ansehen kann bevor ich es so bestelle.

Das Bild zeig noch ein paar andere Bauteile, aber relevant sind die RF-Leitung vom

  • STM32WB55 (Pin 21)

in ein

und die

oberhalb des Filters.

Den Antennenbereich habe ich so gut wie ich es nachvollziehen konnte nach folgender Design Note und dem Datasheet aufgebaut: https://product.tdk.com/system/files/dam/doc/product/rf/rf/antenna/design_note/dn-ant016008lcs2442ma1.pdf

Jetzt ein paar Fragen, die sich mir stellen:

  1. Meine Zuleitung vom STM32 in den MLPF hat schon die richtige Width für 50 Ohm bei meinem PCB-Hersteller und Stack. Sollten die Leiterbahnen zur SMD-Antenne in der Restrict-Area dann die selbe Stärke haben?

  2. In den meisten Layouts habe ich gesehen, dass der Feed-Point zu Ground verbunden wird. Das habe ich aus anderen Foreneinträgen, in der Design Note konnte ich es nicht richtig erkennen. Habe ich das so richtig verbunden?

  3. Neben der Antenne liegt eine 5 mm x 3 mm große Restrict-Area, in der sich auf keinem Layer Kupfer befindet. Gibt es da noch etwas zu Beachten? In Datenblatt wurden beispielsweise die 3 Vias in die von der "Radiator Electrode" wegführende Leiterbahn platziert. Was für einen Sinn sollen diese erfüllen, wenn nirgendwo anders Kupfer liegt?

  4. Das GND-Via-Stiching um die Restricted Area habe ich selbst gemacht und war so nicht in der Design Note. Ist das in Ordnung so oder könnte ich damit unter Umständen der Effizienz sogar schaden?

  5. Gibt es sonst noch Anregungen oder irgendwas was total falsch wirkt?

Vielen Dank für Rückmeldungen und nützliche Tipps! :)

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Simulant Gast #7351071
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Bei solchen Chipantennen ist die PCB-Größe und Anordnung auf dem absolut entscheidend. Beim Blick auf deinen PCB-Screenshot erkenne ich zu wenig um kommentieren zu können.

Bitte zeig mal ein Übersichtsbild des PCB incl. Abmessung und Anordnung der Chipantenne, mit nachvollziehbaren Beschriftungen.

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Simulant Gast #7351079
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Nachtrag: die HF-Signalleitung wird hier NICHT mit Ground verbunden!

Du hast so eine Masseanbindung vermutlich bei PCB F-Antennen gesehen, da ist die Masseverbindung ein Teil der Antenne (Impedanzanpassung).

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Sebastian B. OP #7351179
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Danke schon mal für die vielen Antworten.

Simulant schrieb:

Bitte zeig mal ein Übersichtsbild des PCB incl. Abmessung und Anordnung der Chipantenne, mit nachvollziehbaren Beschriftungen.

Tatsächlich ist das Board mit 15 mm x 18 mm zu klein für die Antenne. Leider bin ich an die kompakte Boardgröße gebunden und habe keine Antenne gefunden, die gut für diese Fläche ausgelegt ist (Oder ich weiß nicht wo nach ich suchen muss). Ich habe die Antenne letztendlich gewählt, weil sie auch im Sensortile von ST verbaut wird (https://www.st.com/en/evaluation-tools/steval-stlkt01v1.html#documentation).

Das bewegt sich mit 13.5 mm x 13.5 mm auch in ähnlichen Größenordnungen. hat das Chancen, dass da noch was durchkommt? Die Funkstreife wird später maximal 1 Meter lang sein, muss also nicht maximal effizient werden.

Simulant schrieb:

Nachtrag: die HF-Signalleitung wird hier NICHT mit Ground verbunden!

Du hast so eine Masseanbindung vermutlich bei PCB F-Antennen gesehen, da ist die Masseverbindung ein Teil der Antenne (Impedanzanpassung).

Hatte das in diesem Fall auch vom Sensortile-Layout. Die bieten Gerber-Files des Boards an (Screenshot). Dann verbinde ich jetzt das Signal direkt zum Feed Point. Können die Dummy Pads dann frei belegt werden oder muss sowas normal floating sein? Aus dem Datenblatt werde ich leider nicht schlau.

Jörg W. schrieb:

Ist bei den kurzen Stücken (alle kleiner lambda/10) ziemlich unwichtig.

Top, dann sollte das ja schon passen. Danke.

Danke und schönen Abend :)

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Simulant Gast #7351801
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Hi Sebastian,

ok, bei der Ähnlichkeit erscheint es sinnvoll sich am Antennenlayout des Sensortile zu orientieren. Das Sensortile-Modul wird nach meinem Verständnis zwar noch auf ein größeres PCB montiert, dessen größere Masseflächen auch der Antennen zugute kommt, aber darauf wird man es ankommen lassen müssen.

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> Hatte das in diesem Fall auch vom Sensortile-Layout. 

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> Die bieten Gerber-Files des Boards an (Screenshot). 

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Die Massebrücke an der Antenne ist dann offenbar richtig. Nach meiner Erfahrung mit sowas muss man sich dann aber sehr exakt an die Layoutvorgaben halten, weil das eine genau definierte Induktivität darstellt von der HF-Zuleitung nach Masse. Also hier möglichst exakt vom Sensortile kopieren, Breiten wie auch Abstände zwischen HF-Zuleitung und GND und Viapositionen.

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Bei den Leiterbreiten (Bild: Markierung 2,3) würde ich mich auch am Sensortile orientieren. Die berechnete Breite deiner Microstrip (über GND) ist im Bereich der Freistellung nicht relevant, also besser vom Sensortile übernehmen. 

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> Können die Dummy Pads dann frei belegt werden 

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> oder muss sowas normal floating sein? 

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Vergiss meinen Beitrag von gestern und kopier das Layout vom Sensortile, mit den genauen Breiten und Abständen.

Bei deinem Filter ist noch ein Fehler im Layout, dort hast du den HF-Ausgang direkt mit GND verbunden, was an DIESER Stelle definitiv falsch ist. (Bild: Markierung 1)

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Die drei Vias (Markierung 3) sind rätselhaft, die haben mMn keine Funktion.

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Viel Erfolg!

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Volker
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Sebastian B. OP #7352472
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Vielen Dank für deine Tipps, bringt mich wirklich weiter.

Ich habe jetzt einfach mal versucht das Sensortile so gut es mein Layout zulässt zu reproduzieren. Ein paar Ground-Vias habe ich aus Platzgründen anders positionieren müssen. Ich hoffe es ist dann doch nicht so empfindlich.

Simulant schrieb:

Bei deinem Filter ist noch ein Fehler im Layout, dort hast du den HF-Ausgang direkt mit GND verbunden, was an DIESER Stelle definitiv falsch ist. (Bild: Markierung 1)

Vielen Dank, das wäre mir tatsächlich durch gerutscht.

Ich denke ich lass das jetzt mal so ätzen und versuche es einfach. Vielleicht lass ich auch eine zweite Version ohne Masseverbindung der Feedline produzieren. Ich hoffe ich kriege eine Verbindung, perfekt muss es ja nicht werden.

Danke und ein schönes Wochenende!

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Wolfgang Gast #7352504
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Sebastian B. schrieb:

Ich denke ich lass das jetzt mal so ätzen und versuche es einfach.

Um zu beurteilen, wie gut das passt, müsstest du mit passender Messtechnik ran (VNA, Smith-Diagramm vom Sender aus gesehen), obwohl das vielleicht übertrieben ist, wenn schon für die ANT016008LCS2442MA1 das VSWR bis 3 hochgehen darf.

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Sebastian B. OP #7395137
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Hallo nochmal in die Runde.

Falls in Zukunft hier nochmal jemand vorbei kommt und sich interessiert: Ich habe jetzt meine Boards bekommen, bestückt und es hat geklappt! Die Reichweite ist mit 2-3 Meter zwar nicht so berauschend, aber für meine Zwecke erst mal ausreichend. Ein Bekannter möchte mir noch helfen die Antenne mit einem Network Analyzer durchzumessen, dann kann ich vielleicht nochmal ein paar genauere Daten bezüglich Performance hier teilen oder die Reichweite durch Matching etwas erhöhen.

Danke nochmal an alle und viele Grüße.

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