868MHz-Antenne Optimierung

[Manuel N. (manuelambaum)]

Hallo,

Habe mich zum ersten Mal an einem Projekt mit 868MHz-Antenne für 
LoRa-Kommunikation versucht. Habe mir eine kleine Platine designt, 
welche RF-Netzwerk, sowie PCB-Antenne drauf hat.

Für das design der PCB-Antenne habe ich mich an dem Design note DN023 
von texas instruments orientiert. Folgende erkenntnisse habe ich 
gesammelt:
- Ich musste die antenne fast um eine "Schlangenkurve" kürzen, um die 
antenne auf 868MHz zu matchen. Ich hätte da persönlich eher 4-5mm 
erwartet und nicht gegen 40mm
- das matching verhält sich anders bei abgelegten PCB vs. 
aufgestellt/freistehendem PCB. Dies ist durchaus nachvollziehbar, jedoch 
ist die resonanzfrequenz deutlich tiefer, als bei aufgestellter antenne 
(ca. 50-100MHz)
Was sind eure Tipps dazu? Wie lassen sich diese Ereignisse erklären? 
Oftmals lese ich auch, dass die Antenne in verbautem Zustand (inkl. 
Gehäuse) getestet werden soll. Was tun, wenn dies wie in meinem Fall 
noch nicht möglich ist? Habe mich für das optimieren der Antenne im 
aufgestellten Zustand entschieden. (siehe Fotos)

Habe danach ein zweites, frisches PCB genommen und aktiv daten gesendet 
über eine Distanz von 1meter zwischen meinem selbst designten Board und 
einem Evalboard. Habe mein eigenes Board auf TX gestellt und das 
Evalboard auf RX und mir das RSSI/SNR vom Receiver ausgeben lassen. Dies 
hat mir bestätigt, dass die Antennenkürzung die Signalübertragung 
optimiert hat und habe folgende Optimierung erzielt:
Vorher: BW 500kHz / SF 11: RSSI an empfänger von -70 und SNR von 7
Nachher: BW 500kHz / SF 11: RSSI an empfänger von -55 und SNR von 8
Vorher: BW 250kHz / SF 12: Kommunikation schlägt fehl
Nachher: BW 250kHz / SF 12: RSSI an empfänger von -55 und SNR von 5

Wollte ebenfalls tiefere Bandweiten testen, wie z.b. 125kHz und weniger, 
dies klappte aber nur sehr sehr schwach bis gar nicht. Dies zeigt mir, 
dass die Antennenoptimierung teilweise erfolgreich war und ich wollte 
anschliessend noch das Matching-Netzwerk des TX-Pfades zwischen meinem 
LoRa-transceriver (STM32WL) und der antenne angehen. Dies blieb jedoch 
relativ erfolglos da ich z.b. 3x hintereinander eine Spule/Kondensator 
gleichen Wertes einlöten konnte, jedoch 3x unterschiedliche resultate am 
VNA angezeigt wurden. Wie würdet ihr da persönlich vorgehen? Die 
SMD-Bauteile seien gem. Artikelbeschreibung +-5% und besser spezifiziert 
und NP0/COG. Kann es trotzdem daran liegen, dass sich die Bauteile durch 
Erhitzung mit Lötkolben im Lötmoment von der Kapazität/Induktivität 
genug ändern, um mein Beobachtetetes verhalten herbeizurufen? Im Anhang 
befinden sich Bilder vom Antennenmatching, Design note von TI, sowie 
meine messschaltung exemplarisch dargestellt. Ich wäre sehr dankbar um 
einige Tipps bezüglich Vorgehensweise und wo in meiner Schaltung am 
meisten Optimierungspotential mit am wenigsten Aufwand besteht. Falls 
mehr Informationen nötig sind, kann ich diese gerne reinsenden.

Danke im Vorraus

[Thomas S. (thommi)]

Was für eine Reichweite möchtest du denn erreichen?

[Cartman E. (cartmaneric)]

Manuel N. schrieb:
> Hallo,
> Was sind eure Tipps dazu? Wie lassen sich diese Ereignisse erklären?
> Oftmals lese ich auch, dass die Antenne in verbautem Zustand (inkl.
> Gehäuse) getestet werden soll. Was tun, wenn dies wie in meinem Fall
> noch nicht möglich ist? Habe mich für das optimieren der Antenne im
> aufgestellten Zustand entschieden. (siehe Fotos)

Die Antenne wird zum einen bedämpft und zum anderen verstimmt.
Beides verstimmt die Antenne oder Elemente einer Antenne, z.B.
bei einer Yagi nach unten.

Man lässt sich vom Gehäusehersteller in spe Materialproben liefern.
Damit kann man dann ein "Pseudogehäuse" zusammenpfuschen. ☺
Die Materialdicke sollte die selbe wie beim fertigen Produkt sein.
Anfragen bzgl. der elektrischen Eigenschaften an den Hersteller
der Gehäuse sind im allgemeinen zwecklos.

Man kann auch noch einstellbare Matche vorsehen, um das Problem
zu lösen bzw. zu vermindern. Dann muss man mit einem VNA oder einer
Stehwellenmessbrücke am Ende der Fertigung eben noch abgleichen.

Eine wirkliche Verbesserung wäre z.B. eine gestockte 4-fach Quad.
Wenn deren Richtdiagramm zur Anwendung passt.
Fertige Patchantennen haben auch recht gute Wirkungsgrade, und sind
etwas handlicher. ☺
Die kann man z.B. bei Huber&Suhner kaufen.

[F. (radarange)]

Irgendwas läuft da absolut falsch. Da liegt irgendwo ein sehr lästiger 
Fehler vor, denn so schlecht sollte das nicht funktionieren.
1) Die massive Antennenkürzung funktioniert so auf keinen Fall, so 
unfähig sind die Designer der Application Notes ja auch nicht.
2) Bei 1m Abstand bist du schon sehr nah dran. Besser mit deutlich mehr 
Abstand testen, um den Empfänger in einem Bereich zu betreiben, in dem 
er sinnvoll betrieben werden kann.
3) Sendeleistung?
4) Deine Modulation ist extrem aggressiv, mit auch nur einigermaßen 
funktionierender Antenne müsstest du da bei SF7 mit 125 kHz Bandbreite 
eine sehr gute Verbindung hinkriegen. Nicht ohne Grund reicht sowas 
draußen kilometerweit, und hier hast du Probleme, das mit deinem 
Testaufbau überhaupt zum Laufen zu bringen.

[Alex J. (mjoelnir)]

Ist das Layout tatsächlich nur zweilagig (an ein paar Stellen schaut das 
leider fast so aus) oder hast Du noch eine nicht gezeigte durchgehende 
Groundlage?
Falls es nur zwei Lagen sind, wäre der Rückpfad vom Anpassnetzwerk zum 
Transceiver durch die Leitungen auf der Bottomlage unterbrochen. Das 
gleiche würde dann für den HF-Quarz gelten. Dann wäre ein mäßiges 
Antennenmatching noch das geringste Problem an dem Design.

[Jens G. (jensig)]

F. schrieb:
> 1) Die massive Antennenkürzung funktioniert so auf keinen Fall, so
> unfähig sind die Designer der Application Notes ja auch nicht.

Vielleicht hat er auch nicht beachtet, dass die Herstellerangaben nur 
für ein bestimmtes Platinenmaterial und Geometrien gelten ...

[Gerd E. (robberknight)]

Alex J. schrieb:
> Ist das Layout tatsächlich nur zweilagig (an ein paar Stellen schaut das
> leider fast so aus) oder hast Du noch eine nicht gezeigte durchgehende
> Groundlage?

Was mir auch auffällt ist dass die Fläche für das Anpassnetzwerk relativ 
"ausladend" ist. Auch die meisten Bauteile sehen mir recht grob (z.B. 
0603 oder größer) aus. Ich würde schauen das wenn möglich dichter zu 
packen und kleinere Bauteile zu nehmen.

Ergibt weniger Verluste auf der Ebene des Anpassnetzwerks, kleinere 
Kondensatoren haben weniger parasitäre Induktivität.

[Manuel N. (manuelambaum)]

F. schrieb:

> 3) Sendeleistung?
Habe auf 14dB Sendeleistung getestet, hätte eine tiefere Sendeleistung 
allenfalls besser funktioniert auf diese Distanz? 14dB wäre sicher nicht 
nötig gewesen

[Wastl (hartundweichware)]

Manuel N. schrieb:
> Habe auf 14dB Sendeleistung getestet

14 dB ist keine Leistung sondern ein Verhältnis-Wert. Wenn du mit
solchen Kenntnissen deine Antennen-Optimierungen durchgeführt
hast dann .....

[Manuel N. (manuelambaum)]

Alex J. schrieb:
> Ist das Layout tatsächlich nur zweilagig (an ein paar Stellen schaut das
> leider fast so aus) oder hast Du noch eine nicht gezeigte durchgehende
> Groundlage?

Ist nur 2-Lagig. Im anhang sind nochmals Bilder von top- und 
bottomlayer. habe eine Via untendurch am Matchingnetwerk (Ansteuerung 
RF-Switch). Kenne mich da leider relativ wenig aus mit den Strömen, wie 
diese Rückfliessen. Kannst du mir helfen, wie die ströme rückfliessen? 
Vom Matchingnetwerk, resp. von der Antenne?

[Manuel N. (manuelambaum)]

Gerd E. schrieb:
> Was mir auch auffällt ist dass die Fläche für das Anpassnetzwerk relativ
> "ausladend" ist. Auch die meisten Bauteile sehen mir recht grob (z.B.
> 0603 oder größer) aus. Ich würde schauen das wenn möglich dichter zu
> packen und kleinere Bauteile zu nehmen.

Habe fast nur 0402 Bauteile genommen. Wollte das Matchingnetwerk mit 
genug platz gestalten, um einfacher die Bauteile umlöten zu können. Was 
meinst du mit "dichter" zusammenpacken genau? Gilt je näher die Bauteile 
zusammen desto besser? Werde dies beachten für nächste designs

[F. (radarange)]

Jens G. schrieb:
> F. schrieb:
>> 1) Die massive Antennenkürzung funktioniert so auf keinen Fall, so
>> unfähig sind die Designer der Application Notes ja auch nicht.
>
> Vielleicht hat er auch nicht beachtet, dass die Herstellerangaben nur
> für ein bestimmtes Platinenmaterial und Geometrien gelten ...

Das ist die TI Application Note für so IoT-Geräte. Da wird sicher kein 
Rogers verwendet, sondern stinknormales FR4. Ausgelegt ist die Antenne 
für 0.8mm dickes Platinenmaterial, aber die Design Note spricht davon, 
dass das nicht so entscheidend ist, da ja nichts unter der Antenne ist. 
Die Geräte müssen billig sein, die Anpassung der Antennen auch nicht 
perfekt. Das passt schon.
Hier ist der Link zur Design Note: 
https://www.ti.com/lit/an/swra228c/swra228c.pdf

Bei freier Sicht kriegt man mit LoRa und irgendwelchen mäßig 
funktionierenden Antennen (Stück Draht, kleine Multiband-Antennen, usw.) 
locker mehrere Kilometer Reichweite hin. Nun ist deine RSSI natürlich 
relativ stark, daher empfehle ich, den Test mit weiter 
auseinanderliegenden Geräten zu machen, mit der Sendeleistung 
runterzugehen und vllt. als Gegenstelle auch mal ein bekannt 
funktionierendes Gerät mit bekannt funktionierender Antenne zu nehmen. 
Ein mismatch auf beiden Seiten erschwert die Fehlersuche dann doch ganz 
erheblich.

Jetzt wäre es gut, mal Bilder mit genauen Abmessungen der 
Antennenelemente zu haben, damit wir schauen können, ob sich nicht doch 
irgendwo ein Fehler eingeschlichen haben könnte.
Eine weitere Frage: Warum eigentlich der Skyworks-Antennenschalter? Die 
Antenne ist doch sowieso nirgendwo anders angeschlossen? Das 
verkompliziert irgendwie alles massiv.
Auch wenn's jetzt schlecht zur aktuellen Fragestellung passt: Es gibt 
den STM32WL auch als Modul mit deutlich vereinfachter RF-Beschaltung. 
Der kostet ein paar Euro mehr, aber dürfte bei EMV-Messungen viele 
Kopfschmerzen verhindern. Wenn das ein Hobbyprojekt mit kleinen 
Stückzahlen ist, dann erst recht.

[Rainer W. (rawi)]

Manuel N. schrieb:
> Oftmals lese ich auch, dass die Antenne in verbautem Zustand (inkl.
> Gehäuse) getestet werden soll.

Wie denn sonst?
Für optimale Abstimmung müsste das auch noch in der Zielumgebung mit 
endgültiger Verkabelung passieren. Im realen Leben sind die Sender 
selten im idealen Freiraum aufgestellt und so ganz klein ist das 
beeinflussende Nahfeld bei 868MHz nicht.

[Niklas G. (erlkoenig)]

Manuel N. schrieb:
> Habe auf 14dB Sendeleistung getestet, hätte eine tiefere Sendeleistung
> allenfalls besser funktioniert auf diese Distanz

14 dBm ist brutal auf die kurze Strecke. Die STM32WLx5 können sendend 
auf -17dBm runter, das geht noch 10-30m weit inkl. Wänden dazwischen. 
Bei 14 dBm ist der Empfänger vermutlich übersteuert und funktioniert 
nicht richtig.

Als Vergleich, die CC1101 funktionieren bei 10dBm auf FSK mit 
Whip-Antenna unter ca. 3m gar nicht, man braucht einen Mindestabstand.

Alternativ könntest du beim Evalboard das als Empfänger dient ein 
Dämpfungsglied vor die Antenne schrauben (30 dB oder so).

[Martin L. (makersting)]

1. Verstehe ich das richtig, dass die Antenne bei Messung in der Platine 
angeschlossen war? Das darf natürlich nicht.

2. Außerdem fällt mir der etwas lang geratene Anschluss der Koaxleitung 
auf, also der Teil ohne Schirm. So kurz wie möglich anschließen. Ist 
aber wohl nicht der entscheidende Fehler hier.

3. Hast du den VNA mit der gezeigten Zuleitung zur Platine oder ohne 
Zuleitung kalibriert?

4. Manchmal hilft auch ein Ferrit zur Gleichtaktunterdrückung über das 
Koax. Wenn das Koax wg. Gleichtaktstörungen merklich mitabstrahlt (also 
Teil der Antenne wird), dann erklärt das auch deine ermittelte 
Verkürzung der Antenne.

[Manuel N. (manuelambaum)]

Martin L. schrieb:
> 1. Verstehe ich das richtig, dass die Antenne bei Messung in der Platine
> angeschlossen war? Das darf natürlich nicht.
>
> 2. Außerdem fällt mir der etwas lang geratene Anschluss der Koaxleitung
> auf, also der Teil ohne Schirm. So kurz wie möglich anschließen. Ist
> aber wohl nicht der entscheidende Fehler hier.
>
> 3. Hast du den VNA mit der gezeigten Zuleitung zur Platine oder ohne
> Zuleitung kalibriert?
>
> 4. Manchmal hilft auch ein Ferrit zur Gleichtaktunterdrückung über das
> Koax. Wenn das Koax wg. Gleichtaktstörungen merklich mitabstrahlt (also
> Teil der Antenne wird), dann erklärt das auch deine ermittelte
> Verkürzung der Antenne.


Danke für deine Rückmeldung. Kann folgendes dazu sagen:
- Habe die antenne vom Matchingnetzwerk aufgetrennt (0Ohm-Widerstand 
ausgelötet) und dort VNA reingehängt. Aus sicht des VNA's sollte daher 
nur die Antenne sichtbar gewesen sein.
- Der teil ohne Schirm am Koax ist ca. 1cm
- Habe die Zuleitung kalibriert und kam auf ein E-Delay von ca. 
900pikosekunden
- Wie müsste ich den Ferrit über das Koaxkabel legen? Wie müsste dieser 
aussehen? Geht ein demontierter ferrit eines alten USB-Kabels?

[Stefan M. (derwisch)]

Martin L. schrieb:
> Manchmal hilft auch ein Ferrit zur Gleichtaktunterdrückung

Ja, aber bei knapp 1GHz sind Ferrite nur noch bedingt wirksam.
Schaden kann es aber nicht.

Ferrit ist nicht gleich Ferrit.
Das muss für die Wunschfrequenz, den AL Wert etc. ausgesucht werden.
Oberhalb ca. 500MHz werden eher durch Abblockondensatoren oder 
Saugkreise sinnvolle Ergebnisse erreicht.

Zur Antenne des TO:

Man sollte solche PCB Antennen nicht zu engstirnig betrachten.
Eine perfekte Anpassung ist bei solchen Designs eher nicht zu erwarten.
Das ist für eine ausreichend gute Funktion auch überhaupt nicht nötig.
Eine (hier angestrebte) super Anpassung ist eh wieder weg, wenn später 
im Gerät eine lange Schraube in der Nähe ist, oder das Material des 
Gehäuses die Resonanz verschiebt, oder Dämpfungseffekte zeigt (wurde im 
Thread schon erwähnt).
Eine Anpassung, die auf dem VNA für glänzende Augen sorgt, ist eher bei 
großen (Yagi o.ä.) Antennen sinnvoll, deren Umgebung prinzipbedingt ohne 
große Einflüsse bleibt.
Also bei Montage über (Haus)Dach, oder auf dem Auto.
Bei so kleinen Antennen an WiFi oder Bluetooth Geräten etc. reicht meist 
ein Stück Litze, dass ungefähr Lambda/4 lang ist.
Alles "bessere" merkt man nicht, da der zusätzliche Gewinn durch eine 
Zunahme der Richtwirkung entsteht.
Das ist dann manchmal sogar kontraproduktiv.
Reflexionen in Wohnräumen sind so chaotisch und mächtig, dass dieser 
Einfluss 90% ausmacht.
D.h.: Warum kommt mein WiFi Signal so schlecht im Schafzimmer an?
Weil alles andere (und nicht die Antenne im Device) dafür sorgt.
Sogar der Toaster, der in der Nähe vom Router oder so steht, macht 
sowas...