Chipantenne verschobene Resonanzfrequenz

[Tobias (Gast)]

hi leute,
ich hab ein problem mit einem einfachen hf-design.
mein aufbau ist folgender:
ich habe eine kleine platine auf der sich ein u.fl-stecker befindet, 
über welchen das hf-signal von einem funkmodul zugeführt wird. der 
stecker ist an eine gerade coplanarleitung angeschlossen, die ich mit 
diversen internettools auf 50ohm berechnet habe. am ende der leitung 
befindet sich eine 2,4ghz chipantenne (AT9520-B2R4HAA).

GND    ------------------
U-FL   O------------------[|||||||] Antenne
GND    ------------------

grundsätzlich funktioniert dieser aufbau, jedoch hatte ich mir etwas 
mehr reichweite erhofft. also habe ich den aufbau mal in der hochschule 
an einen netzwerk analysator angeschlossen.
das ergebnis überraschte mich etwas. das system ist perfekt für 2,18ghz 
angepasst und erreicht einen reflektionsfaktor von ca -31dB. bei den 
gewünschten 2,4ghz beträgt dieser nur noch knapp -10dB. (bild der 
messung ist angehängt. auf den relevanten frequenzen sind marker 
platziert.)
nun bin ich am rätseln, wodurch ich die resonanzfrequenz verstimmt haben 
könnte. ich kann mir nicht vorstellen, dass die antenne selbst schuld 
daran ist. andererseits ist das design auch nicht sehr komplex, sodass 
man eigentlich nicht soo viel falsch machen kann.
ich bin für jeden tip dankbar.

gruß

tobias

[Lukas K. (carrotindustries)]

So ins blaue hineingeraten: Das  Epsilon_r deines Platinenbasismaterials 
stimmt nicht mit dem überein, das du in den Rechner eingegeben hast.
Wie lang ist denn die Leitung? Kannst du mal ein Bild vom Aufbau machen?

[Neubi (Gast)]

hi,

ich geh mal davon aus, dass du die designnote vom db übernommen hast ... 
hast du schon mal probiert die platine auf der die antenne sitzt einfach 
mal auf einen anderen untergrund, bzw. mal in die luft zu halten, 
hand/finger weg von der antenne

... meiner erfahrung nach spielen seehr oft äussere einflüsse stark mit


Neubi

[Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)]

Ungenauigkeiten beim belichten, ätzen in der PCB-Herstellung

Korrektur:

Eventuell um  ein paar 10.tel mm kürzen und mit Netzwerkanalysator 
kontrollieren oder parasitäre Kapazitäten verringern.

Namaste

[Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)]

o.k.kürzen scheidet aus

Richtige Seite eingespeist?

zu Große Dachkapazität?(lötpad zu gross?)

hoffentlich keine Massefläche auf Rückseite?

weitere Möglichkeit Platinenfläche unter der und um die Antenne 
freifräsen


http://www.sparkfun.com/datasheets/Wireless/General/SPK-AT9520-B2R4HAA.pdf

[Tobias (Gast)]

hi,
erstmal vielen dank für eure antworten.
@lukas k.: als epsilonr habe ich 4,3 angenommen. dies soll laut internet 
ein ungefähr passender wert bei 2,4ghz für fr4 sein. die geplante länge 
der zuleitung ist gut 9,6mm lang. ein bild mit vier meiner testplatinen 
habe ich angehangen (platinendicke : 0,8mm)
@winfried j.: um probleme des belichters auszuschließen habe ich mal 
mehrere platinen mit leicht variierenden zuleitungsabmaßen angefertigt 
und diese einzeln vermessen. das ergebnis war, dass keine veränderung 
der zuleitung eine relevante resonanzfrequenzverschiebung bewirkt hat. 
der speisepunkt der antenne passt auch. die größe der lötpads entspricht 
der im db angegebenen. die massefläche auf der rückseite sieht aus wie 
auf dem angehängten bild, natürlich ohne die zuleitung und die 
antennenpads.
@neubi: verschiedene unterlagen habe ich noch nicht überprüft. das 
testboard lag beim vermessen auf einem gewöhnlichen labortisch. ich kann 
mir nicht vorstellen, dass dieser diese extreme verschiebung verursacht. 
ich werde es beim nächsten messen jedoch überprüfen.
morgen werde ich mal ein weiteres testboard genau nach den angaben im 
datenblatt anfertigen und damit die antenne vermessen. mal schaun was 
dabei herraus kommt.

vielen dank nochmal und wenn ihr weitere ideen habt, immer her damit.

gruß

tobias

[HF-Werkler (Gast)]

Bei deinen Platinen fällt mir folgendes auf:
- Der Leitung fehlt es an Durchkontaktierungen in grosser Menge 
(Masseflächen nur mit 5 gelöteten Drähten punktuell verbunden!)
--> Die Vias müssten mehr werden an allen antennennahen Kanten und an 
dem Stecker (u.FL). Weiterhin ist es sinnvoll die Stripline mit Vias 
"einzugrenzen".
- Die eine Kante der PCB Masse (rechts) kommt imho zu früh für die 
Antenne
- FR4 kann durchaus anderes Epsilon R haben, als von dir genannt. Frag 
genau den Hersteller nach, was er benutzt hat.
- Der Abstand der "Masse" zum Leiter scheint mir viel zu klein -> zu 
niedrige impedanz.

Weiterhin schau mal in das Datenblatt der Antenne. Dort wird ein viel 
früher endendes Dielektrikum/Basismaterial oben an der Antenne genutzt. 
Weiterhin ist die Masse bei dir viel ausgeprägter/grösser als im 
Beispiel (die "Masse" ist Teil der Antenne/Strahlerlösung!) und du nutzt 
keine Anpassschaltung, um deine Verhältnisse anzupassen.

Such dir mal das Programm AppCad, das bietet die Möglichkeit die 
Anpassung der Coplanarleitung durchzurechnen.

Gruss

[Tobias (Gast)]

hallo hf-werkler,
danke für deine umfangreichen hinweise.

den hinweis mit den zu wenigen durchkontaktierungen werde ich sobald wie 
möglich überprüfen. ich könnte mir gut vorstellen, dass das was bringt.

die rechte kante der massefläche kann ich leider konstruktionsbedingt 
nicht ändern. auch eine nach links verschiebung der antenne ist auf dem 
richtigen board mit bauelementen nicht möglich. kann ich dieses problem 
irgendwie anders kompensieren?

als basismaterial benutze ich bungard-fotoplatinen. in deren datenblatt 
ist das epsilonr wie folgt angegeben: 4,8(1mhz), 4,6(100mhz), 4,5(1ghz). 
daher nehme ich an, dass die 4,3 für 2,4ghz ganz gut passen dürften.

den abstand der masse habe ich eben nochmal mit dem von dir empfohlenen 
appcad nachgerechnet und ich komme mit meinem maßen auf ein z0 von 
48,8ohm. sollte also ca. passen.

ein kürzeres dielektrikum habe ich bereits versucht. hat leider keine 
verbesserung bewirkt.

würde es bei der masse etwas helfen, wenn ich die antennenmasse wie in 
der angehängten zeichnung von der restlichen masse "abtrenne"? oder 
bringt mir das keine punkte? gibt es pauschale lösungen wie ich die 
anpassschaltung für die große massefläche dimensionieren kann? oder kann 
ich das nur mit teuren simulationstools ermitteln?

heute habe ich übrigens das testboard aus dem datenblatt nachgebaut und 
werde es hoffentlich morgen am netzwerkanalysator mal durchmessen. ich 
bin gespannt was dabei herauskommt.

nochmals danke für die hinweise.

gruß tobias

[Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)]

ich würde versuchen Kapazaitäten zu verringern.

Methoden habe ich schon genannt.

[Jörg W. (dl8dtl) (Moderator)]

Tobias schrieb:
> daher nehme ich an, dass die 4,3 für 2,4ghz ganz gut passen dürften.

±20 % darfst du bei normalem FR4 gern einplanen.  Außerdem ist es
arg ungleichmäßig verteilt, am besten ist es noch, schräg zur
Laminierrichtung zu arbeiten.

[HF-Werkler (Gast)]

Bau doch mal eine Anpassschaltung dran (LC), wie im Datenblatt benannt. 
Die Werte musst du durch probieren an deine Gegebenheiten anpassen. Aber 
das wird nur richtig gehen, wenn die Leitung mit vielen Vias versehen 
wurde und 50 Ohm hat.

[Tobias (Gast)]

hi hf-werkler,
ich war heut nochmal mit einem großen stapel kleiner ls und cs mit 
meiner platine am netzwerkanalysator. und ich muss sagen, dass dein tipp 
ins schwarze getroffen hat. ich habe mit einer empfohlenen lc schaltung 
angefangen und mich langsam weiter gearbeitet. und siehe da, jetzt liegt 
das minimum des reflektionsfaktors bei genau 2,4ghz. alles bestens.
danke für alle hinweise.

gruß

tobias

[HF-Werkler (Gast)]

Hauptsache, die Antenne ist nun resonant. Wie gut sie strahlt ist aber 
ungleich schwieriger zu messen, ohne Absoberkammer.

Gruss