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Antennen

433 MHz Loop

Dieser Beitrag beschreibt die Berechnung einer 433 MHz Antenne für eine kleine Leiterplatte von 54 mm x 46 mm Kantenlänge.

Die Größe der aktiven Schaltung beträgt nur ca. 10mm x 10mm. Eine Besonderheit ist, daß es auf dem PCB keine nennenswerte Massefläche gibt, die als Gegengewicht zu einer verkürzten Monopolantenne dienen kann.

Das strahlende Element wird als Schleife mit Kopfkapazität ausgeführt, mit einer Leiterbreite von 1mm auf 1.5mm FR4.

Antenne in Schleifenform,
Einspeisung an Port 1, Trimmer für Kopfkapazität an Port 2

Aus der EM-Simulation mit Empire XPU erhalten wir nun eine Touchstone S2P-Datei, wo Port 1 die Antenneneinspeisung und Port 2 den Anschlußpunkt für den Trimmer C3 nach Masse darstellt.

Anpaßschaltung

Die Antennenanpassung auf der Basis der S2P Datei wird weitgehend automatisch mit Optenni Lab durchgeführt.

Als Vorgabe an Port 2 wählen wir einen Kondensator mit 1pF Startwert, dessen Wert von Optenni Lab optimiert werden darf. Für das Anpaßnetzwerk an Port 1 geben wir maximal 2 Elemente vor.

Hieraus ergibt sich folgende Anpaßschaltung, bei Vorgabe von Murata GQM18 Kapazitäten für C1/C2 und Trimmer für C3

Berechnete Anpaßschaltung

Im Frequenzbereich 431-435 MHz beträgt die Anpassung etwa 6dB oder besser, entsprechend Anpassungsverlusten von 1.2dB oder weniger.

Die kleine Antenne hat eine extreme Impedanz und daraus folgend eine sehr schmalbandige Anpassung zur Folge hat.

Zwar ist er robust bezüglich Toleranzen der Anpaßelemente C1 und C2 …

Anpassung bei 5% Toleranz von C1 und C2, Trimmer C3 als exakt angenommen

… jedoch würden bereits 20fF Toleranz von C3 die Antennenresonanz spürbar verstimmen. Wenn es also überhaupt funktionieren soll, so kann hier nur ein Trimmer eingesetzt werden.

Anpassung bei Nennwert von C1 und C2, Trimmer C3 mit 20fF Toleranz

Es erscheint fraglich, ob diese kleine Antennen mit dieser Empfindlichkeit gegen Toleranzen tatsächlich sinnvoll realisierbar ist, jenseits eines individuell getrimmten Einzelstücks.

Antennenwirkungsgrad

Neben den Anpaßverlusten gibt es auch Verluste in der Antenne selbst. Um diese zu bestimmen wird die von der Antenne abgestrahlte Leistung mit der eingespeisten Leistung verglichen. Anpassungsverluste werden hierbei nicht berücksichtigt, es wird nur die abgestrahlte Leistung mit der von der Antenne aufgenommenen Leistung bilanziert.

Antennenwirkungsgrad (radiation efficiency)

Der Antennenwirkungsgrad (ohne Anpaßverluste) beträgt hier 40% bei 433 MHz. Verluste sind verursacht durch Leiterverluste sowie Verluste im Platinenmaterial.

Variation: Mehr Massefläche

Die oben gezeigte Antenne hat eine sehr kleine Massefläche für die aktive Schaltung. Wir variieren dies nun und vergrößern diese Fläche. Die Antennenschleife wird entsprechend etwas verkürzt.

Gleiche PCB-Abmessungen, aber größere Massefläche

Als Anpaßschaltung ist nun auch ein einzelnes Shunt-C von 33 pF möglich, diese Variante wählen wir. Für den Trimmer ergibt sich ein Wert von 1.08 pF

Anpaßschaltung bei vergrößerter Masse

Ohne Berücksichtigung von Toleranzen ergibt sich eine Anpassung von besser 5.5 dB im Bereich 431-435 MHz, mit einem Anpaßverlust von maximal 1.5 dB.

Der Antennenwirkungsgrad dieses Layouts liegt mit 35% in ähnlicher Größenordnung wie zuvor.

Antennenwirkungsgrad (radiation efficiency) bei vergrößerte Massefläche

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