STM32WLE5CCU6 LoRa-Antennenendesign review

[Manuel N. (manuelambaum)]

Hallo,

ich möchte mein eigenes LoRa-Board basierend auf einem STM32WLE-Chip 
entwerfen. Es ist das erste Mal, dass ich mich mit HF-Themen 
beschäftige, weshalb ich diesen Beitrag erstelle. Ich habe ein Design 
erstellt, das ich gerne auf grobe Fehler überprüfen lassen würde, bevor 
ich meinen ersten Prototyp bestelle. Mir ist bewusst, dass das Anpassen 
der Antennenimpedanz keine exakte Wissenschaft ist, aber ich möchte 
zumindest die schlimmsten Fehler korrigieren.

Woher habe ich die LC-Werte:
Die LC-Werte stammen aus der Application note AN5457 von ST (für 868 MHz 
LoRa im LowPower-Modus).

Woher stammt das PCB-Antennendesign:
Das PCB-Antennendesign stammt aus der Design Note DN023 von Texas 
Instruments. Allerdings ist die Länge von L6 in meinem Design 2 mm 
länger, um die PCB-Antenne durch Verkürzung zu optimieren.

Was ich sonst noch berücksichtigt habe:
- HF-Leitungen sind von einer Groundplane umgeben, mit Vias zur unteren 
Lage
- Glatte Übergänge der HF-Leitungen(deshalb sind meine HF-Leitungen 
abgerundet)
- Fast keine Leiterbahnen unter der HF-Leitung (außer zwei unter dem 
RF-Switch)
- 10 mm Abstand zwischen der tatsächlichen PCB-Antenne und den nächsten 
SMD-Bauteilen

Meine Fragen:
- Mein RX-Pfad vom RF-Switch zum RX-Eingang des µC ist relativ lang. Ist 
mein Designansatz so in Ordnung? Ich habe viele Designs gesehen, bei 
denen kein RF-Switch vorhanden ist, und der RX-Pfad daher meist kürzer 
war.

- Manche Designs enthalten einen PI-Filter zwischen Antenne und 
RF-Switch, jedoch ist dieser Filter in den meisten ST-Referenzdesigns 
nicht bestückt. Sollte ich so einen Filter vorsehen, um später das 
Matching mit den C-L-C-Bauteilen optimieren zu können?

- Ich werde die PCB über JLCPCB fertigen lassen. Dort gibt es einen 
Rechner zur Bestimmung der Leiterbahnbreite für 50 Ohm Impedanz. Laut 
diesem Rechner benötigt man für eine 2-Lagen-Platine mit 1,6 mm Dicke 
und 0,254 mm Abstand zwischen HF-Leitung und umgebender Masse eine 
Leiterbahnbreite von 1,2 mm. Ist das korrekt? Ich habe noch nie ein 
Layout mit so breiten HF-Leitungen gesehen. Letztlich habe ich eine 
0,254 mm breite HF-Leitung verwendet anstelle der berechneten 1,2 mm...

- Ich habe ein Referenzdesign des SX1261/SX1262 für 868 MHz gesehen, bei 
dem sich die L-C-Werte unterscheiden. Woher kommen diese Unterschiede? 
Der STM32WL basiert ja auf der SX-LoRa-Chipserie, daher frage ich mich, 
warum unterschiedliche Werte verwendet werden? Ich bin zu unerfahren, um 
einschätzen zu können, ob die Werte nur leicht oder komplett 
unterschiedlich sind. Macht das überhaupt einen Unterschied?

Ich weiß, das ist eine große Bitte, aber ich wäre wirklich dankbar, wenn 
sich jemand mein Schaltplan- und PCB-Design anschauen könnte, damit ich 
meine erste Version bestellen kann. Alle relevanten Dokumente sind in 
zwei .zip-Dateien beigefügt. In "Resources.zip" findest du alle 
Dokumente, auf die ich mich im Beitrag bezogen habe, und in 
"EndResult.zip" mein tatsächliches Design.

Danke im Vorraus,

Manuel

[F. (radarange)]

Manuel N. schrieb:
> - Ich werde die PCB über JLCPCB fertigen lassen. Dort gibt es einen
> Rechner zur Bestimmung der Leiterbahnbreite für 50 Ohm Impedanz.

Ich habe das mal in den KiCad-Rechner eingetragen als Coplanar Waveguide 
mit Groundplane.

> Laut
> diesem Rechner benötigt man für eine 2-Lagen-Platine mit 1,6 mm Dicke
> und 0,254 mm Abstand zwischen HF-Leitung und umgebender Masse eine
> Leiterbahnbreite von 1,2 mm. Ist das korrekt?

Der KiCad-Rechner gibt mir mit den eingebauten Materialkonstanten da ca. 
1.3 mm aus, scheint also einigermaßen zu passen.

> Ich habe noch nie ein
> Layout mit so breiten HF-Leitungen gesehen. Letztlich habe ich eine
> 0,254 mm breite HF-Leitung verwendet anstelle der berechneten 1,2 mm..

Naja, willst du 50 Ohm Impedanz oder willst du sie nicht? Deine dünnen 
Leitungen haben eben einen höheren Wellenwiderstand, das kann man sicher 
verschmerzen, aber warum ohne Not, wenn Platz auf dem Layout verfügbar 
ist?

Vielleicht kannst Du die Bilder, die du gemacht hast, auch noch an einen 
Beitrag anhängen, dann muss man die Dateien nicht runterladen und 
öffnen, sondern kann sich das hier bequemer direkt anschauen.

[Manuel N. (manuelambaum)]

> Der KiCad-Rechner gibt mir mit den eingebauten Materialkonstanten da ca.
> 1.3 mm aus, scheint also einigermaßen zu passen.
>
> Naja, willst du 50 Ohm Impedanz oder willst du sie nicht? Deine dünnen
> Leitungen haben eben einen höheren Wellenwiderstand, das kann man sicher
> verschmerzen, aber warum ohne Not, wenn Platz auf dem Layout verfügbar
> ist?

Okey, danke für das Feedback

> Vielleicht kannst Du die Bilder, die du gemacht hast, auch noch an einen
> Beitrag anhängen, dann muss man die Dateien nicht runterladen und
> öffnen, sondern kann sich das hier bequemer direkt anschauen.

Siehe Anhang, danke für den Hinweis

[Niklas G. (erlkoenig)]

Manuel N. schrieb:
> Mein RX-Pfad vom RF-Switch zum RX-Eingang des µC ist relativ lang.

Solche Probleme kann man sich ersparen indem man das fertige Modul 
STM32WL5MOC nutzt; kleiner kriegt man es selber kaum hin, und das Layout 
wird einfacher dank der Anordnung der Pads

[F. (radarange)]

Der Hinweis mit dem Modul ist natürlich sehr gut, aber ich denke, dass 
es einen Grund gibt, warum hier der einzelne Chip genutzt werden soll.
Zum Layout selbst kann ich leider nur relativ wenig beitragen, es kann 
sich aber lohnen, der Antenne noch eine UFL-Buchse oder zumindest ein 
paar Testpunkte zu spendieren, damit man sie mit einem VNA durchmessen 
kann. Dein STM32 kann dir ja nur relativ wenige Informationen zur 
Antennencharakteristik geben, da siehst du lediglich eine RSSI und 
kannst dann raten, welche Werte du jetzt wie anpassen musst.

[Manuel N. (manuelambaum)]

> Zum Layout selbst kann ich leider nur relativ wenig beitragen, es kann
> sich aber lohnen, der Antenne noch eine UFL-Buchse oder zumindest ein
> paar Testpunkte zu spendieren, damit man sie mit einem VNA durchmessen
> kann.

Danke für den Hinweis. Kann ich die UFL-Buchse einfach abgreifen? Habe 
im Anhang ein Foto, wie ich die UFL-Buchse platzieren würde. passt das 
so?

An welchen stellen sind Testpunkte sinnvoll? Habe mir vor einigen Tagen 
mal einen günstigen Nano VNA auf Aliexpress bestellt. Würde mit diesem 
dann einige Messungen mache. Kannst du mir sagen, welche Messungen ich 
unbedingt machen sollte und warum?

[Rainer W. (rawi)]

Manuel N. schrieb:
> Kann ich die UFL-Buchse einfach abgreifen?

Bei HF kannst du nicht irgendetwas einfach parallel schalten.
Oder was meinst du mit "abgreifen"?