Werden fremde Antennendesigns für das eigene Projekt übernommen werden, bei veränderten PCB-Abmessungen, so führt dies oft zu Enttäuschungen. Die Performance von Antennen auf Leiterplatten – und damit die Reichweite der Systeme – hängt stark von der Einbausituation der Antenne ab. Dies betrifft insbesondere kompakte Antennen, bei denen die Massefläche des PCB immer ein integraler Bestandteil des Antennendesigns sind.
Veränderungen der PCB-Dimensionen führen damit zu einer Veränderung der Antennenperformance. Aber auch nahegelegene Metallstrukturen verändern das Verhalten der Antenne deutlich, ebenso wie das umgebende Gehäuse.
Zur Optimierung der Reichweite ist es empfehlenswert, bereits beim Antennenentwurf die Umgebungseinflüsse und tatsächlichen PCB-Dimensionen zu berücksichtigen. Der Aufwand lohnt sich: Mit einem derartig optimierten Entwurf wurde bei einer kompakten 868MHz/915 MHz Modulantenne eine Reichweite von 1km im Freifeld-Praxistest erreicht.
Beeinflussung durch PCB
Betrachten wir mit Hilfe der EM-Simulation einige externe Einflüsse für eine 868MHz-Antenne, die auf Texas Instruments Design Note DN024 basiert. Die Antenne wird mit Hilfe des Anpaßnetzwerks auf 868MHz abgestimmt und erreicht VSWR < 1.1 @ 868 MHz.
Diese HF-Leiterplatte wird nun mit Steckverbindern über ein Motherboard montiert. Je nach Position der HF-Leiterplatte ergibt dies eine Verschiebung der Resonanzfrequenz mit resultierendem Signalverlust durch Fehlanpassung: VSWR = 5 @ 868 MHz für Motherboard 2 und VSWR = 10 @ 868 MHz für Motherboard 3. Ein extrem schlechtes Ergebnis mit VSWR > 100 ist zu beobachten, wenn die Antenne in 5mm Abstand bündig über dem PCB montiert wird. In dieser Einbausituation behindert die Masse von Motherboard 1 die Abstrahlung und verstimmt massiv die Antenne.
Der große Einfluß der Anordnung auf die Antennenperformance wird auch im Antennendiagramm deutlich, wenn wir den realisierten Gewinn vergleichen, also den Antennengewinn unter Berücksichtigung der Verluste durch Fehlanpassung.
Die HF-Leiterplatte alleine betrachtet hat eine 8-förmige Abstrahlcharakteristik, ähnlich einem Dipol. Bei Anordnung mittig auf der Kante des Motherboards mit „freiem“ Strahler (Motherboard 3) bleibt diese Abstrahlcharakteristik weitgehend erhalten, mit um 6dB reduziertem Gewinn durch Fehlanpassung. Bei Position in der Ecke (Motherboard2) ergibt sich eine deutlich andere, eher rundstrahlende Charakteristik mit einem stärkeren Einbruch in der Richtung, wo beim separat gemessenem Antennen-PCB ein Maximum war. Bei Anordnung der Antenne bündig über dem PCB gibt es kaum Richtwirkung in der Ebene, bei einem wegen starker Fehlpassung sehr kleinen realisierten Gewinn von bestenfalls -16dBi.
Man erkennt, daß für ein optimales Antennendesign die Umgebung der Antenne frühzeitig berücksichtigt werden sollte. Dies ist durch 3D EM-Simulationen problemlos möglich, wobei neben den Montageabhängigkeiten auch Empfindlichkeit auf Materialtoleranzen untersucht werden können. Gerade bei direkt auf FR4 realisierten Antennendesigns ist dies unbedingt sinnvoll, denn so kann vorab geprüft werden, ob ein teureres Basismaterial mit besseren Spezifikationen sinnvoll ist.
Design für Zielumgebung
Mit diesen Erkenntnissen wird nun eine kompakte 868 MHz Antenne in USB-Stick-Bauform realisiert. Wegen der geringen Baugröße wirkt hier nicht nur die Masse im USB-Stick auf die Abstimmung der Antenne, sondern auch das angeschlossene Gerät. Stimmt man die Antennenresonanz alleine auf den Stick ab, so ergibt sich im realen Betrieb eine deutliche Fehlanpassung und entsprechend reduzierte Reichweite. Durch den Entwurf der Antenne für die tatsächliche Umgebung – hier ein Raspberry Pi – ergibt sich eine gute Performance, die auch in ähnlichen Umgebungen erhalten bleibt.
Dargestellt ist das VSWR für den Stick einzeln (Resonanz bei 1 GHz) sowie angeschlossen an einen Raspberry Pi sowie einen typische Laptop-Situation und typische Anordnung am Desktop PC.
Der USB-Stick ist hier auf diese Zielsysteme optimiert, zeigt also solo ohne Gerät (z.B. an einem Verlängerungskabel) nur schlechte Antennenperformance. Diese Sonderfall war nicht Teil der Antennenoptimierung.
Das Antennendiagramm und die Anpassung unterscheiden sich etwas je nach System an welchem der USB-Stick angeschlossen ist (Raspi, Laptop, Desktop-Rechner) aber in allen Fällen funktioniert die so optimierte Antenne mit zufriedenstellendem VSWR.
Position der Antenne
Im nächsten Beispiel untersuchen wir eine mäandrierte 2.4 GHz F-Antenne, deren Position entlang der Leiterplattenkante um 4mm bzw. 8mm nach links verschoben wird.
Durch den geringen Abstand zwischen Strahler und Massefläche ist diese Antenne recht schmalbandig und die Antennenabstimmung wird bereits bei kleinen Positionsänderungen beeinflusst, ebenso wie einige Einbrüche im Richtdiagramm.
Nachfolgend dargestellt ist das Antennendiagramm der Antenne im Gehäuse.
Simulation oder Messung?
Was ist also sinnvoll beim Entwurf von PCB-Antennen, sollte man auf EM-Simulation setzen oder genügt ein Nachtrimmen der Resonanzfrequenz im Labor am Hardware-Prototypen?
Für elektrisch kleine Antennen, bei denen jede zusätzliche Masse das Antennenverhalten ändert, ist eine rein meßtechnische Optimierung schwierig: schon ein angeschlossenes Coaxkabel ändert die Massesituation und hat deutlichem Einfluß auf alle Parameter. Eine Optimierung des HF-Moduls am Netzwerkanalysator führt also nicht zur optimalen Reichweite im Realbetrieb, wie das obige Beispiel des USB-Sticks eindrücklich zeigt. In solchen Fällen ist eine simulationsbasierte Antennenoptimierung zweckmässig, die zugleich auch Toleranzen von Materialien und Variationen der Einbausituationen abprüfen kann.
Bei einem 868/915 MHz USB Funkstick konnte so eine deutliche Reichweitensteigerung gegenüber früheren Designs realisiert werden, bei reduzierten Fertigungskosten.
Sinnvoll ist der Einsatz der EM-Simulation auch bei IoT und Smarthome-Antennen, deren spätere Einbausituation nicht exakt definiert ist, weil sie etwa in einer Betonwand-Öffnung oder auch in einer Hohlwanddose im Trockenbau/Holzbau Verwendung finden können: Hier hilft die Simulation, ein gegenüber diesen Einflüssen robustes Antennendesign zu entwerfen und eine Vielzahl von Szenarien bereits beim Entwurf zu berücksichtigen.
Unsere Dienstleistung für Sie:
Antennensimulation und Designunterstützung
Bei Antennen mit ausreichend großer Massefläche und gut definierten Einbaubedingungen, die nur eine Resonanzverschiebung erfahren, ist eine rein experimentelle Optimierung möglich. Eine Simulation kann jedoch auch in diesem Fall hilfreich sein, um eine effiziente Abstimmstrategie festzulegen und das Antennendiagramm in der realen Umgebung zu überprüfen.
Referenzen:
[1] http://www.ti.com/lit/an/swra227e/swra227e.pdf
[2] http://muehlhaus.com/support/antenna/pcb-em