So platzieren Sie zwei oder mehr Antennen in einem Design

Das Entwerfen einer Leiterplatte mit mehr als einer Antenne ist nicht einfach . Dieser Artikel hebt einige Faktoren hervor, die das Verhalten von Antennen und deren HF-Signalen beeinflussen und die beim Layout der Leiterplatte berücksichtigt werden sollten.

Das Platzieren einer Antenne in einem Design erfordert immer Sorgfalt, aber wenn das Design zwei oder mehr Antennen enthält, ist es noch wichtiger zu verstehen, wie die Antennen abstrahlen, wie sie zusammen funktionieren und wie sich ihre relative Position auf das Signal auswirkt.

Im Allgemeinen sind SMD-Antennen so konzipiert, dass sie in der Nähe anderer Komponenten koexistieren, vorausgesetzt, einige grundlegende Regeln werden befolgt.

Es wird empfohlen, Antennen von anderen verrauschten Komponenten fernzuhalten und eine Erdungsebene unter der Antenne vorzusehen, damit sie effektiv abstrahlen kann. Es ist wichtig, den Raum unter der Antenne während des gesamten PCB-Aufbaus freizuhalten.

Um ein Gerät mit mehreren verschiedenen Antennen zu entwickeln, sollten Sie wissen, wie mehrere Antennen nebeneinander existieren und in einem einzigen System auf der Leiterplatte funktionieren. Die Anforderung, dass verschiedene Funksysteme mit Antennen in unmittelbarer Nähe zueinander arbeiten, wird als „Koexistenz im Gerät“ bezeichnet.

In einigen Fällen werden zwei Antennen verwendet, um in einer Diversity-Konfiguration auf derselben Frequenz zusammenzuarbeiten, was eine stärkere Übertragung als eine Antenne allein ermöglicht. In anderen Fällen benötigt ein Gerät mehr als eine drahtlose Verbindung, die auf verschiedenen Frequenzen betrieben wird, und das Design sollte eine gewisse Trennung zwischen diesen ermöglichen, damit sie unabhängig in „Koexistenz“ betrieben werden können.

Mit gutem Design erreichen Sie eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit für alle Antennen auf der Platine. Das Ziel des Designers ist es, die Antennen so zu platzieren, dass eine Isolierung zwischen allen Antennen erreicht wird und sie alle korrekt zusammen arbeiten können.

Strahlungsmuster

Jede Antenne hat ihr eigenes Strahlungsdiagramm, das auf dem Datenblatt des Herstellers angegeben ist, da die Antenne unter perfekten Bedingungen, zum Beispiel in einem reflexionsarmen Raum, abstrahlen würde.

Strahlungsmuster werden normalerweise als 3D-Muster und als zweidimensionaler Querschnitt dieses Musters angezeigt. Die Antenne strahlt um eine Achse, die entlang der Länge der Antenne verläuft, und die elektrische Energie von der Antenne wird am stärksten in eine Richtung senkrecht zu dieser Achse reflektiert. Dies ist die Polarisation der Antenne.

Das Strahlungsdiagramm einer Antenne wird normalerweise in der Mitte des Frequenzbandes gemessen, in dem die Antenne verwendet werden soll.

Abbildung 1. 3D-Antennendiagramm für eine LTE-Antenne bei 1990 MHz. (Quelle:Antenova)

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Abbildung 2. Antennenmuster für dieselbe LTE-Antenne bei 1990 MHz, Querschnitt. (Quelle:Antenova)

Diversity-Paare

Diversity ist eine Antennentechnik, bei der zwei Antennen zusammen auf derselben Frequenz verwendet werden, um eine zuverlässigere drahtlose Verbindung herzustellen. Es ist eine großartige Lösung für mobile drahtlose Geräte, die sich im freien Raum bewegen, da die beiden Antennen, die im Tandem zusammenarbeiten, mit größerer Wahrscheinlichkeit eine zuverlässige Verbindung herstellen, wenn sich das Gerät bewegt.

Bei Diversity ist die erste Antenne die Hauptantenne und die zweite Antenne die Diversity-Antenne. Die beiden Antennen können dieselbe Masseebene teilen und sind in unterschiedlichen räumlichen Zonen platziert, dies reduziert die „Kopplung“ – ein Phänomen, bei dem die beiden Antennen ähnliche Signale reflektieren.

In einer Diversity-Konfiguration senden beide Antennen gleichzeitig, zeigen jedoch in unterschiedliche Richtungen. Der Empfänger nimmt dann das stärkere der beiden Signale, was die Zuverlässigkeit des empfangenen Signals verbessert. Das Antennenpaar kann an den gegenüberliegenden Ecken oder gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte platziert werden.

Wenn die Antennen in einer Diversity-Konfiguration verwendet werden, werden sie so platziert, dass sie die Kopplung reduzieren – d. h. die beiden Antennen werden so platziert, dass ihre Strahlungsdiagramme völlig unterschiedlich sind.

Polarisation

Die Polarisation einer Antenne ist parallel zur Längsachse der Antenne, und die Antenne strahlt ihre Energie senkrecht zu dieser Achse ab, mit Zonen von Nullleistung an jedem Ende der Antenne.

Für die beste Kreuzkorrelation sollte das Diversity-Antennenpaar mit Kreuzpolarisation, unterschiedlicher Polarisation im Raum und in Polarität platziert werden. Der Empfänger empfängt das stärkste Signal von der einen oder anderen der Antennen. Dadurch wird ein stärkerer Empfang erreicht, als er mit einer Antenne allein erreicht werden kann. In der Praxis bedeutet dies normalerweise, dass die beiden Antennen im 90°-Winkel zueinander platziert werden, wodurch eine unterschiedliche Polarisation erreicht wird und zuverlässigere Signale an den Empfänger gesendet werden, wenn sich die Geräte bewegen.

Kopplungseffekte reduzieren

Die Kopplung von Antenne zu Antenne ist bei einem kompakten Gerät eine natürliche Erscheinung. Dies verringert das Strahlungsmuster und erhöht die Kreuzkanalinterferenz, die von jeder Antenne erleidet wird. Es ändert auch die Eingangseigenschaften der Antenne. Sie können Kopplungseffekte minimieren, indem Sie Vias auf die Masseebene ätzen.

Abstand zwischen Antennen

Der Abstand zwischen den beiden Diversity-Antennen sollte mindestens ein Viertel einer Wellenlänge betragen, und der Abstand zwischen ihnen beeinflusst das Signal.

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Abbildung 3:Beispiel – Das Diagramm zeigt die Isolation vs. Distanz von der Hauptantenne zur Diversity-Antenne. Zum Vergleich sind 40 mm, 25 mm und 20 mm angegeben. Dieses Beispiel zeigt die Integra-Antenne SR4L049 von Antenova. (Quelle:Antenova)

Isolationsantennen bei verschiedenen Frequenzen

Antennen, die auf unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, sollten so platziert werden, dass sie sich nicht gegenseitig stören. Aus Antennengründen müssen sie elektrisch voneinander getrennt sein. Das Ziel besteht darin, jede Antenne so zu platzieren, dass sie eine hohe Leistung erreicht, jedoch kann die Isolierung die Strahlungsleistung der Antenne reduzieren. Der Wert für die Isolation wird als S21-Koeffizient mit einem Netzwerkanalysator gemessen.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Isolation zwischen den Antennen zu verbessern. Durch einfaches Platzieren der Antennen weiter auseinander unter Berücksichtigung ihrer Strahlungsmuster wird eine gewisse Trennung erzeugt, was hilfreich ist.

Wenn Sie die Antennen so platzieren, dass zwischen jedem Antennenpaar eine Isolierung besteht, können sie unabhängig voneinander abstrahlen, jedoch mit einer gewissen Reduzierung der Sendeleistung jedes einzelnen.

Die nächste Option besteht darin, einen Filter zu verwenden, um die Effizienz einer Antenne in Bezug auf die Frequenz zu reduzieren, die die gegenüberliegende Antenne benötigt.

Abbildung 4. Beam Steering ist eine Antennentechnik zur Verbesserung der Isolation und Kreuzkorrelation in Diversity-Anwendungen. (Quelle:Antenova)

ECC (Hüllkurven-Korrelationskoeffizient)

Um die Isolationsfähigkeit eines MIMO-Antennensystems zu verifizieren, ist die ECC ein wichtiges Leistungskriterium in zu untersuchenden MIMO-Antennensystemen. Der ECC kann anhand der S‐Parameter oder der Fernfeldcharakteristik des Antennensystems berechnet werden. ECC basierend auf Fernfeldparametern berücksichtigt die Richtung des abgestrahlten Strahls jeder Antenne im MIMO-Antennensystem, während ECC basierend auf S-Parametern die Porteigenschaften der beiden Antennen berücksichtigt.

ECC auf der Grundlage von Fernfeldeigenschaften wird in einer Isolationsanalyse als genauer angesehen, obwohl sie aufgrund der Notwendigkeit, die Strahlungsdiagramme der Antenne zu messen, schwieriger ist. Ein ECC-Wert von weniger als 0,5 wird im Allgemeinen als akzeptabel für ein MIMO-Antennensystem angesehen.

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Abgestrahlte vs. Rückflussdämpfung
Abbildung 5:Das Bild zeigt die Strahlungskurven für zwei Antennen parallel und im rechten Winkel, und wie die zweite Konfiguration ein konsistenteres Signal zeigt. (Quelle:Antenova)

Schlussfolgerung

Viele mobile Geräte verwenden mehrere drahtlose Verbindungen. Sie können eine beliebige Kombination aus 4G/LTE-, MIMO/WLAN-, Bluetooth- oder GNSS-Positionierungsantennen sein, und es können problemlos fünf oder sechs Antennen in einem Design vorhanden sein – zum Beispiel Diversity-Antennen für LTE/4G, um die Mobilfunkverbindung bereitzustellen, ein WLAN Fi-Antenne für Bluetooth und eine GNSS-Antenne zur Positionierung. In diesem Fall besteht das Ziel darin, dass alle Antennen in der Multisystemumgebung nebeneinander arbeiten, jedoch ohne sich gegenseitig zu stören. Wenn die Koexistenz nicht berücksichtigt wird, kann es durchaus sein, dass ein starkes LTE/4G-Signal das Signal einer kleineren Antenne, wie einer winzigen Wi-Fi-Antenne, blockiert.

Das Entwerfen einer Leiterplatte mit mehr als einer Antenne ist nicht einfach. Dieser Artikel hebt einige Faktoren hervor, die das Verhalten von Antennen und deren HF-Signalen beeinflussen und die beim Layout der Leiterplatte berücksichtigt werden sollten. Um sicherzustellen, dass alle Komponenten richtig zusammenarbeiten, sollte die Leiterplatte in eine reflexionsarme Kammer zum Freilufttest geschickt werden. Es hebt alle erforderlichen Änderungen am Design hervor und zeigt, wie sich die Antennen zusammen verhalten, und prognostiziert die reale Leistung des Geräts.

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Geoff Schulteis ist Senior Antenna Applications Engineer bei Antenova Ltd. Geoff verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Integration und Prüfung von Antennen und leitet derzeit den technischen Support für Antenovas Kunden in Nordamerika. Er ist ein Antenneningenieur mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der Entwicklung, Integration und Prüfung von Antennensystemen für Konsumgüter von der Forschung und Entwicklung über die Fertigung bis hin zum kommerziellen Einsatz.

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