HF PCB Antennen Design

Erklärungen zum Design von Antennen auf Leiterplatten

RF, Radio Frequency

Radio Frequency steht als Abkürzung für alle Funkfrequenzen. Die Funkübertragungsfrequenzen sind in verschiedene Spektren aufgeteilt und reichen vom Extremely Low Frequency Band (ELF, 3 ~ 30 Hz) bis hin zum Extremely High Frequency Band (EHF, 30 ~ 300 GHz).

Antenne

Eine Antenne ist im Wesentlichen eine metallische Konstruktion zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen. Die Antenne kann passiv oder aktiv sein. Auf Basis der Maxwellschen Gleichungen kann eine exakte Beschreibung der Wellenvorgänge unter den vorgegebenen Randbedingungen erfolgen. Antennen können bei unterschiedlichen Funkfrequenzen betrieben werden (siehe RF). Die Charakteristik einer Antenne (Antennengewinn, Impedanz der Antenne, Polarisation, Größe, Kosten usw.) muss an die Applikation angepasst sein.

Dipolantenne

Das Prinzip der Dipolantenne basiert auf einer mittig gespeisten Drahtantenne, deren Leiter normalerweise gerade verlaufen und der halben Wellenlänge entsprechen. In den Metallstäben wird hochfrequenter Wechselstrom in elektromagnetische Wellen umgewandelt. Unter Berücksichtigung des Reziprozitätsgesetzes können in einer Dipolantenne aber auch die elektromagnetischen Wellen wieder in elektrische Energie umgesetzt werden. Somit kann diese Antenne zum Senden und Empfangen verwendet werden.

Patch-/Planarantenne

Bei einer Planarantenne befinden sich alle aktiven und parasitären Elemente in einer Ebene. In der Regel handelt es sich hierbei um eine Antenne, die bei der Herstellung von Leiterplatten (PCB) im selben Verfahren auf diese aufgedruckt wird. Beispielsweise finden diese bei Mikrostreifenantennen (Microstrip Antenna) im IoT-Umfeld Anwendung. Die Planarantenne wird meist durch eine koaxiale Speisung oder durch eine Mikrostreifenleitung erregt.

Lambda-Viertel PCB-Antenne

Überwiegend werden gedruckte PCB Antennen als Lambda-Viertel Wellenlängen-Antennen ausgelegt. Durch die Masseebene unterhalb des Leiters wird ein Spiegelbild von ebenfalls λ/4 erzeugt, was zu einem ähnlichen Verhalten führt, wie das einer Dipolantenne. PCB Antennen sind in der Regel günstig zu fertigen, benötigen allerdings entsprechende Fläche auf dem PCB.

PIF-Antenne

Eine besondere Form der Planarantennen stellt die sogenannte PIF-Antenne (Planar Inverted F-Shaped Antenna) dar. Diese Art der Antenne besitzt ein geometrisch regelmäßig angeordnetes F-förmiges Grundmuster. In der Seitenansicht ist zu erkennen, dass die Antenne einem liegenden F ähnelt, bei der sich die Form aus der Einspeiseleitung, der seitlichen Kurzschlussverbindung zur Massefläche (Feed Point) und der oberen Antennenfläche gebildet wird.

RFID-Antenne

Die sogenannte Radio Frequency Identification (RFID) Antenne wird zur drahtlosen, d.h. zur berührungslosen Identifizierung von Objekten oder Personen bzw. Tieren durch elektromagnetische Wellen genutzt. Das RFID System besteht aus einem Transponder Chip, auf dem Daten gespeichert sind sowie einer integrierten Antenne. Die Größe der RFID-Antenne reicht von Briefmarkengröße bis hin zur Größe eines Notebook Bildschirms. Der Größenunterschied ist in der Regel ein Hinweis auf die Lesereichweite: je größer die Antenne, desto höher der Gewinn, desto größer die Lesereichweite und umgekehrt.

MIMO-Antenne

MIMO ist eine effektive Funkantennentechnologie, bei der mehrere Antennen am Sender und Empfänger gleichzeitig verwendet werden, um eine Vielzahl von Signalpfaden zum Übertragen der Daten zu ermöglichen. Dabei werden separate Pfade für jede Antenne gewählt, um die Verwendung mehrerer Signalpfade zu ermöglichen. MIMO Antennen gehen nicht von einer einzelnen Sendeantenne zu einer einzelnen Empfangsantenne, sondern der Ausgang geht an mehrere Empfänger. Dies macht beispielsweise das Design von 5G-Antennen sehr komplex.

MIMO Beamforming Smart Antennen

Die Technologie des sog. MIMO Beamformings findet nicht nur Anwendung auf MIMO Systemen, sondern es kann mit jedem Antennensystem verwendet werden. Diese Art der Antennen wird verwendet, um ein gewünschtes Antennenrichtmuster zu erzeugen und dabei die erforderliche Leistung unter den gegebenen Randbedingungen zu erzielen. Mit Smart-Antennen können diese Anforderungen umgesetzt werden. Je nach geforderter Leistung und den vorherrschenden Bedingungen können diese Antennen automatisch gesteuert werden können.

Smart-Antenne

Im Allgemeinen bestehen Smart Antennen aus einer Vielzahl von strahlenden Elementen, einer Steuereinheit und einem kombinierenden / teilenden Netzwerk. Smart Antennen in zwei typische Gruppen unterteilt: Phased-Array-Systeme und Adaptive Array-Systeme (AAS). Auf Basis von vordefinierten Mustern werden Phased-Array-Systeme geschaltet. Entsprechend der gewünschten Richtung werden dabei erforderlichen Muster verwendet. Das sogenannte adaptive Beamforming wird bei Adaptive Array-Systeme verwendet. Dieses Verfahren nutzt eine unendliche Anzahl von Mustern. In Echtzeit können diese Muster an die Anforderungen angepasst werden.

Bandbreite

Unter der Bandbreite einer Antenne versteht man das Frequenzband zwischen den Grenzfrequenzen f1 und f2, bei denen die Leistung per Definition gegenüber dem Maximalwert um 3dB, also dem 0,5fachen, abgefallen ist. Die Frequenzspanne berechnet sich also aus B = f2 − f1 oder aus der Mittenfrequent dividiert durch die Güte B = f0 / Q.

Richtcharakteristik

Die Form der abgestrahlten Energie wird als Richtcharakteristik bezeichnet. Eine ideale isotropische Antenne strahlt in alle Richtungen die gleiche Energie ab, die Abstrahlung ist kugelförmig. Je nach Anwendung erhalten Antennen unterschiedliche Richtcharakteristiken und es ergeben sich mehrere Keulen. Die Hauptkeule ist gewollt. Die Neben- und rückwärtigen Keulen gilt es zu vermeiden, da hier unnötig Leistung abgestrahlt bzw. Störungen empfangen werden. Antenna Boresight ist die Achse des maximalen Antennengewinns der Hauptkeule (max. abgestrahlte Energie).

Antennengewinn

Der Gewinn einer Antenne beschreibt die Abstrahlung in beliebiger Richtung im freien Raum. Gemessen wird das Verhältnis der Antenne im Vergleich [dBi isotropisch] zu einer idealen isotropischen Antenne, die in alle Richtungen gleichförmig abstrahlt. Der Peak Gain oder maximale Antennengewinn G gilt nur für eine Frequenz und Richtung. Der Gewinn ändert sich mit Winkel und Frequenz.

Öffnungswinkel

Der Öffnungswinkel (Beamwidth) einer Antenne kann aus dem Radiation-Diagramm abgelesen werden. Wird ein 3D-Radiation Pattern horizontal geschnitten, ergibt sich ein 2D-Azimuth Schnitt, bei vertikalem Schnitt der Elevation Schnitt. Der Öffnungswinkel gibt den Winkel θ an, bei dem der Gain an der Hauptkeule maximal -3dB abfällt, also mindestens die halbe Leistung oder mehr hat. Bei unsymmetrischen Antennen gibt es je einen Wert für horizontalen und vertikalen Öffnungswinkel.

50 Ohm Impedanz Antenne Smith Chart — 50 Ohm Impedanz Antenne

Impedanz einer Antenne

Oliver Heaviside (1850-1925) erfand das Koaxialkabel, um das Übersprechen auf Telegrafenleitungen zu reduzieren. Die "Bell Labs" fanden ca. 1920 durch Experimente heraus, dass 30 Ohm Coax optimal für Leistungsübertragung ist und bei 77 Ohm die geringsten Verluste auftreten. 50 Ohm ist ein Kompromiss für beide Anforderungen. Eine Antenne sollte so optimiert werden, dass sie 50 Ohm mit keinem oder wenig induktiven und kapazitivem Anteil im Smith-Chart über die Bandbreite hat.

Matching Network

Ein Matching Network ist ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk oder Impedanzwandler. Hierbei wird z.B. die Impedanz der Signalleitung an die Antenne angepasst, um die Rückflussdämpfung zu minimieren.

Effizienz von Antennen

Effizienz von Antennen beschreibt den Quotienten der Eingangsleistung zur abgestrahlten Leistung in % oder dB (z.B. 0,5 oder 50% oder -3 dB). Verluste in Antennen kommen von Leitungsverlusten im Metall der Antenne, unangepasste Impedanzen und dielektrischen Verlusten aufgrund von Polarisationseffekten. Die Verluste werden reflektiert oder als Wärme abgegeben. Die Effizienz beim Senden und Empfangen ist bei Antennen gleich. Eine ideale Antenne hat 100% Effizienz, aber reale Antenne liegen eher bei 50-60%. Durch die Richtcharakteristik kann die Leistung in eine Richtung gebündelt werden.

Rückflussdämpfung / Return Loss (S11)

Die Rückflussdämpfung, auch Rückstreudämpfung oder Return Loss genannt, ist ein Reflexionsfaktor, der beschreibt, wieviel Energie an einer Diskontinuität in einer Übertragungsstrecke reflektiert wird. Es ist das Verhältnis von ausgesendeter Leistung zu reflektierter Leistung, angegeben in Dezibel (dB). An allen Inhomogenitäten bzw. Impedanzsprüngen wird ein Teil der Signalenergie reflektiert und breitet sich in entgegengesetzter Richtung im Leiter aus. Der S-Parameter S11 beschreibt den Return Loss (S11 = RL).

Einfügedämpfung bzw. Insertion Loss — Insertion Loss

Einfügedämpfung / Insertion Loss (S21)

Die Einfügedämpfung ist die Abschwächung des Signals durch alles, was in den Signalweg "eingefügt" wird. Sie ist somit die Summe aller Verluste und Dämpfungen im Signalweg. Der S-Parameter S21 beschreibt Insertion Loss (S21 = IL).

EIRP, Equivalent Isotropic Radiated Power

Die sogenannte effektive oder äquivalente isotrope Strahlungsleistung ist die hypothetische Leistung, die von einem isotropen Kugelstrahler abgestrahlt werden müsste, um die gleiche (äquivalente) Signalstärke zu erreichen, wie die tatsächliche Quellantenne in Hauptstrahlrichtung. Wenn z.B. eine gegebene Sendeantenne einen Leistungsgewinn von 20 hat, ist die Leistungsdichte der Antenne in eine bestimmte Raumrichtung 20-mal größer als bei einer isotropen Antenne. Eine isotrope Antenne müsste also 20-mal so viel Leistung abstrahlen, um die gleiche Leistungsdichte zu erzielen.

VSWR, Voltage Standing Wave Ratio

Das Stehwellenverhältnis VSWR einer Antenne beschreibt die Anpassung ihrer Last an die Übertragungsleitung. Bei Fehlanpassung kann ein Teil der Leistung zurückreflektiert werden und dies führt zur Erzeugung von stehenden Wellen, die durch das VSWR gekennzeichnet sind. VSWR ist somit als Verhältnis der maximalen und minimalen Spannungen auf einer Übertragungsleitung definiert. Das Stehwellenverhältnis lässt sich auch durch die S-Parameter beschreiben:
VSWR = (1 + | S11 |)/(1 - | S11 |).

Lagenaufbau

Der Lagenaufbau einer Leiterplatte (Stackup) beschreibt die verschiedenen Schichten aus leitendem Material (z.B. Kupfer) und Dielektrikum (z.B. FR-4). Für Antennen kann bereits eine Kupferlage auf einem Dielektrikum ausreichen. Wenn eine Referenzebene verwendet wird, kann ein 2-lagiger Microstrip Aufbau realisiert werden. Befindet sich der Sender / Empfänger, ein Antennenverstärker und das Anpassungsnetzwerk auf der gleichen Leiterplatte, so können 4-, 6- oder mehrlagige Aufbauten notwendig werden. Die Anpasung der Impedanz ist für unterschiedliche Aufbauten zu beachten.

Kontrollierte Impedanz

Die Impedanz von Leitungen auf einer Leiterplatte ergeben sich im Wesentlichen aus der Leiterbahnbreite, der Dicke des Dielektrikums und dessen Material. Um Verluste und Reflexionen zu vermeiden, sollten RF Leitungen immer impedanzkontrolliert ausgeführt werden.

Tapering

Als Taper bezeichnet man das sanfte Angleichen von unterschiedlichen Breiten von Leiterstrukturen. Dies kann z.B. an Bauteilpads, die mit einer schmaleren Leitung ankontaktiert werden, notwendig sein. Durch das langsame Angleichen der Leitungsbreite werden Diskontinuitäten vermindert und damit Reflexionen gemindert.

Abstände

HF-Schaltungsteile sollten zu anderen Funktionsblöcken auf der Leiterplatte einen möglichst großen Abstand haben und zusätzlich abgeschirmt sein. Die Abstände können im Constraint Manager über Regeln für Netze und Regionen definiert werden. Mit den Shielding Funktionen lassen sich HF-Leitungen durch GND Flächen neben, über und unter der Leitung abschirmen. Hierbei können diese auch automatisch mit Durchkontaktierungen verbunden und ankontaktiert werden.

	Hintermättlistr. 1
	5506 Mägenwil (Kanton Aargau)