Wie das Hinzufügen einer Antenne den Designprozess verändert

Der Designzyklus ist etwas anders, wenn das Produkt drahtlos ist und eine Antenne erfordert. Antennen verändern den Designprozess, da sie mit Sorgfalt an der besten Position auf der Leiterplatte platziert werden müssen und es wichtig ist, ihre Beziehung zu einigen anderen Komponenten im Design zu berücksichtigen.

Idealerweise sollte der Designer die HF-Elemente des Designs anordnen, bevor er die anderen Komponenten in Betracht zieht. In diesem Artikel betrachten wir die zusätzlichen Phasen, die eine Antenne zum Designzyklus hinzufügt, beginnend mit der Auswahl der am besten geeigneten Antenne.

Antennenauswahl

Die beliebtesten eingebetteten Antennen sind die SMD-Gruppe (Surface Mounted Device). Sie sind vor allem wegen ihrer effizienten Nutzung des Platinenplatzes beliebt, aber auch, weil sie innerhalb eines Geräts eine hervorragende Leistung erzielen können. Diese Antennen sind winzig; Sie können einen Durchmesser von bis zu 1 mm haben und werden während des Leiterplattenbestückungsprozesses direkt auf die Host-Leiterplatte aufgeschmolzen. Im Allgemeinen werden sie aus hochwertigen dielektrischen Laminatsubstraten hergestellt.

Der Designer könnte auch die Verwendung eines vorgefertigten Antennenmoduls in Betracht ziehen. Diese enthalten die Antenne in einem kleinen Paket mit anderen Komponenten, die direkt in das Design integriert werden können. Der Hauptvorteil der Wahl eines Antennenmoduls besteht darin, dass es in das Design integriert werden kann und die HF-Schaltung vorkonfektioniert bereitgestellt wird.

Flexible Printed Circuit (FPC)-Antennen können eine interessante Option sein, wenn das Komponentenlayout des Designs aufgrund des verfügbaren Platinenplatzes eingeschränkt ist oder eine SMD-Antenne aus irgendeinem Grund nicht einfach passt. Die FPC besteht aus einer dünnen Schicht Kupfer-Abdeckband mit einem integrierten Kabel und einem UFL-Stecker, um sie mit der Leiterplatte zu verbinden. Es ist dünn genug, um leicht zu einer gekrümmten Oberfläche gebogen zu werden und in einem kleinen Raum innerhalb des Geräts zu verstauen, möglicherweise im Außengehäuse des Designs befestigt. FPCs sind eine gute Wahl bei beengten Platzverhältnissen und bei kleinen Handheld-Geräten beliebt.

Wenn das Design des Geräts Materialien enthält, die die Leistung beeinträchtigen könnten, könnte der Designer eine externe Antenne wählen (Abbildung 1). Eingebettete Antennen erreichen in der Nähe von Metallkomponenten in der Regel keine starke Leistung. Wenn also große Metallelemente in das Design integriert werden, kann eine an der Außenseite des Geräts angebrachte Terminal- oder Gehäuseantenne die beste Leistung bieten.

Abbildung 1. Zu den externen Antennenoptionen gehören (von links nach rechts) eine SMD-Antenne, eine FPC-Antenne oder Terminalantennen. Quelle:Antenova

Diese Antennen werden aus eigenem Isoliermaterial hergestellt, um das HF-Signal zu isolieren, und wenn sich Metallteile in der Nähe befinden, funktionieren sie immer noch mit minimalen Verlusten. Im Gehäuse montierte Antennen schaffen Platz für andere Komponenten auf der Leiterplatte, und da sie nicht so empfindlich auf die anderen Teile im Design reagieren, sind sie einfacher zu integrieren.

Antennenplatzierung

Von allen Komponenten in einem typischen Wireless-Design reagiert die Antenne wahrscheinlich am empfindlichsten auf ihre Position. Daher wird empfohlen, die Platzierung der Antenne gleich zu Beginn festzulegen.

Die SMD-Antenne wird direkt auf die Host-Leiterplatte gelötet, und die Position der Antenne hat Auswirkungen auf ihre HF-Leistung. Die Antenne strahlt in sechs Richtungen entlang einer Achse, normalerweise entlang der Länge der Antenne. Dies bedeutet, dass es für eine gute Leistung so viele Richtungen wie möglich frei von reflektierenden und absorbierenden Hindernissen haben sollte. Aus diesem Grund werden Antennen oft an den Ecken der Leiterplatte platziert oder für den Einsatz an einer der Kanten der Leiterplatte entwickelt. Die Hersteller konstruieren ihre Antennen für den Betrieb in verschiedenen Positionen, und das Datenblatt für jede Antenne gibt genau an, wie die Antenne abstrahlt und wie sie auf der Host-Leiterplatte platziert wird, um die Leistung zu optimieren.

Abbildung 2. Eine SMD-Antenne wird an der Längskante einer Leiterplatte platziert. Quelle:Antenova

Es gibt bestimmte Komponenten, die so weit wie möglich von der Antenne entfernt platziert werden müssen, da sie Rauschen erzeugen und wahrscheinlich eine Impedanz der abgestrahlten Leistung der Antenne verursachen. Die Hauptverantwortlichen für Störungen sind Motoren, Batterien und alle Komponenten mit hohem Metallgehalt wie LCDs.

Schließlich kann auch die Außenhülle des Gerätes Unterbrechungen für die abgestrahlten Felder der Antenne verursachen. Wenn das Gerät eine Kunststoffabdeckung hat, seien Sie vorsichtig, da Kunststoff eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft hat und wahrscheinlich die Resonanzfrequenz der Antenne verstimmen kann.

Grundflächen und Platinendesign für HF

SMD-Antennen benötigen zum Abstrahlen typischerweise eine Masseebene. In einem eingebetteten Design ist die Masseebene ein Abschnitt der PCB, der eine flache zusammenhängende Oberfläche für das HF-Signal zur Hin- und Herbewegung bereitstellt. Die Massefläche muss eine bestimmte Länge haben, die sich auf die längste Wellenlänge der Antenne bezieht. Es ist daher wichtig, den richtigen Platz für die Masseplatte auf der Leiterplatte bereitzustellen, da dies der Antenne eine effiziente Abstrahlung ermöglicht.

Dies wird wiederum im Datenblatt des Antennenherstellers erläutert. Manchmal befindet sich die Massefläche unter der Antenne und manchmal ist sie daneben; dies variiert von Antenne zu Antenne und ist ein Faktor bei der Wahl der SMD-Antenne.

Antennen benötigen nicht nur eine Erdungsebene, sondern benötigen auch oft einen gewissen Raum um sie herum, um frei von anderen Komponenten zu sein – ein Schutzbereich. Die Schutzanforderungen für jede Antenne sind auch für jede einzelne Antenne einzigartig, und diese Bereiche müssen von anderen Komponenten, möglicherweise durch mehrere Schichten, wenn nicht sogar die gesamte Platine unter der Antenne, freigehalten werden.

Die HF-Leistung des Geräts ist am besten, wenn die HF-Spurleitungen vom Funkgerät zur Antenne so kurz wie möglich gehalten werden. Dies liegt daran, dass längere Übertragungsleitungen anfälliger für Reflexionen und Signalenergieverluste in der Kupferspur sind, die die Gesamtstrahlungsleistung des Geräts verschlechtern können. Daher empfehlen wir, die HF-Elemente des Designs so nah wie möglich an der Antenne zu platzieren.

Einige Designs profitieren von einer konzentrierten Elementanpassungsschaltung – wie einer Pi-Anpassungsschaltung – innerhalb der HF-Schaltung, um die Antenne auf eine verbesserte Arbeitsbandbreite abzustimmen.

Abbildung 3. Ein Antennendesign mit einer aktiven Abstimmschaltung kann die Bandbreitenreduzierung überwinden, die bei einer kleineren Masseebene beobachtet wird. Quelle:Antenova

Gerber-Überprüfung und HF-Tests

Bevor das Design finalisiert wird, bietet eine Gerber-Datei-Layout-Überprüfung eine gute Überprüfung der HF-Schaltungen und Übertragungsleitungen im Schichtaufbau des PCB-Designs und weist auf alle Bereiche hin, die nicht ganz korrekt sind. Der Gerber-Test überprüft, ob die Antenne, das Modul, die Übertragungsleitungen, Durchkontaktierungen und PCB-Materialien alle für eine gute HF-Leistung optimiert sind. Einige Antennendesignfirmen erheben Gebühren für Gerber-Reviews, während andere sie kostenlos anbieten, oder Sie können zu diesem Zweck ein Software-Designpaket verwenden.

Der nächste Test besteht darin, zu messen, wie gut die Antenne auf ihrer Platine funktioniert. Dies geschieht in einem reflexionsarmen Raum. Die Antenne kann jedoch unter den perfekten Bedingungen der Kammer gut funktionieren und sich dann bei ihrer endgültigen Anwendung anders verhalten, bei der Personen und Gegenstände in der Umgebung die Strahlung der Antenne beeinflussen könnten. Bei einem Design für ein tragbares Gerät oder ein medizinisches Gerät, das nahe am menschlichen Körper verwendet werden soll, sollte die Antenne daher mit einem Phantomkopf oder einer Phantomhand im reflexionsarmen Raum abgestimmt und getestet werden.

Ein paar weitere Tests können beurteilen, wie gut das Design im wirklichen Leben funktioniert:passive Tests, Over-the-Air-Tests (OTA) und Radar mit synthetischer Apertur (SAR). Die Ergebnisse werden auf Effizienz, Störemissionen, Gesamtstrahlungsleistung und Gesamtisotropieempfindlichkeit gemessen.

Es ist wichtig, das Design zu testen, um sicherzustellen, dass das Gerät im täglichen Gebrauch richtig funktioniert und keine Emissionen oder Interferenzen erzeugt. Diese Tests sind von entscheidender Bedeutung, wenn das Design eine Genehmigung des Netzbetreibers erfordert und es üblich ist, einen spezialisierten HF-Testdienst zu nutzen.

Schließlich muss jedes Design für die Mobilfunknetze vom Mobilfunknetzbetreiber zertifiziert werden, um die Genehmigung für die Verwendung in seinem Netz zu erhalten.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EDN.

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Geoff Schulteis ist ein Spezialist für HF-Antennenanwendungen und leitet den technischen Support für die nordamerikanischen Kundendesigns von Antenova.

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