50 Ohm transmission line bei begrenzten Platzverhältnissen

[Nik D. (y2kicn)]

Guten Abend / Morgen allerseits

Ich habe mir vor ein paar Wochen einige winzige  Simcom SIM33ELA GPS / 
GLonass Module auf aliexpress bestellt. Die Dinger sind insofern 
interessant, dass sie schon eine Keramikantenne auf dem Board haben, 
dadurch extrem winzig sind und zudem pro Stück nur 15$ kosten.

Nach genauerem Studium des Datenblattes hat sich dann herausgestellt, 
dass die Keramikantenne allerdings noch nicht an die GPS HW angebunden 
ist, obwohl diese auf demselben Platinchen drauf ist. Sprich da hat es 
auf dem winzigen Package einen RF_IN und einen ANT pin mit 1mm Abstand, 
welche man gemäss Datenblatt mit einer 50 Ohm transmission line zu 
verbinden habe.

(Die beiden Pins liegen gleich nebeneinander, genauere Zeichnung im 
Anhang)

Nun, dass es Tools zur Berechnung der Breite/Länge/Form der Line auf 
Basis der Dicke und Materials des Basismaterials gibt, das weiss ich 
(obschon ich leider keinen Zugriff auf solche Tools habe). Allerdings 
ist mir bei jeglichen Berechnungen solcher Tools noch kein Beispiel 
aufgefallen, bei welcher auf solch kurzer Distanz diese Impedanz 
gewährleisten kann.

Wie macht man dies bei diesen Platzverhältnissen korrekt? Die Start- und 
Endpunkte der Verbindung liegen 1mm auseinander.

Ich habe testeshalber die beiden pins direkt mit Zinn überbrückt (jaja, 
ich weiss; - war hauptsächlich dazu gedacht zu verifizieren, dass die 
aliexpress Module überhaupt funktionieren)
Ich erreiche mit der direkten Lötverbindung jedoch maximal um die 30 db 
SNR, auch unter freiem Himmel. Der niedrige Wert wird sicherlich durch 
den Mangel einer richtigen Patch-antenne noch weiter reduziert, daher 
wäre ich um jegliche Tipps zur korrekten Dimensionierung dieser 
mini-Leiterbahn sehr dankbar.

lg Nik

[DingsDa (Gast)]

Nik D. schrieb:
> (obschon ich leider keinen Zugriff auf solche Tools habe)

Schau Dir das einmal bitte an:

http://www.gunthard-kraus.de/Ansoft%20Designer%20SV/English%20Tutorial%20Version/index_english.html

Mit den Tutorials von Hr. Kraus! Ist echt gut. Und ganz legal.
Ist ein wenig älter die Version, sollte aber für Deinen Fall passen.

[Georg (Gast)]

Nik D. schrieb:
> daher
> wäre ich um jegliche Tipps zur korrekten Dimensionierung dieser
> mini-Leiterbahn sehr dankbar.

Die gibt es nicht, nicht bei 1 oder 2 mm Länge - die Wellenlänge der 
GPS-Signale beträgt ca 20 cm. Nimm einen Bogen Leiterbahn mit etwa 0,5 
mm Breite, besser wirds nicht.

Georg

[Nik D. (y2kicn)]

Danke euch beiden!

Ich werde als nächstes mal einen Test mit einer kleinen Bogenleiterbahn 
machen.

Den Ansoft Designer behalte ich aber definitiv auch im Auge, denn auf 
dasselbe Board muss auch noch ein SIM800E mit Antenne drauf, dort 
brauchts dann eine 'richtige' Microstrip Anbindung.

Nik

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

http://www.hp.woodshot.com/
Das HP Appcad reicht für Leiterbahnbreiten aus, ohne Einarbeitung und 
Tutorial zu bedienen.

Für schmale 50 Ohm Leiterbahnen muss man dünnes Platinenmaterial 
benutzen.

Es gibt natürlich auch Teflonmaterial mit Epsilon von zehn, Hersteller 
z.B.:
http://www.taconic.de/products.aspx
http://www.rogerscorp.com/acm/index.aspx

RT/duroid 6010LM PTFE Ceramic Epsilon 10.2 bei 10 GHz
http://www.rogerscorp.com/documents/2532/acm/High-Frequency-Laminates---Product-Selector-Guide-and-Standard-Thicknesses-and-Tolerances-low-resolution-copy.pdf

[Easylife (Gast)]

Also bei einer Strecke von 1mm würde ich mir mal keinen Kopf machen.
Impedanzsprünge gibt's an der Stelle eh schon durch die Modul-Pads.
Mach einfach eine Leitung auf kürzestem Wege direkt zwischen die Pads, 
Breite ähnlich wie auf dem Modul selbst.

Die 50 Ohm Transmission Line muss man natürlich berücksichtigen, wenn 
man eine externe Antenne (= längere Leiterbahn) anschließen möchte.

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Unter Windows XP läuft Appcad noch. Hier einfach mal ausprobiert zwei 
Lambda/4 Leitungen im 70cm-Band auf FR4-Epoxid, mit 1,6mm und 0,8mm 
Dicke.

Bei einem Millimeter Leitungslänge ist das natürlich völlig egal.

[Nik D. (y2kicn)]

Wow, super, Danke! Die 93.2mm sind tatsaechlich schwer zu erreichen ;-)
Ich werde es als erstes mal mit einem kleinen Bogen versuchen (ungefähr
wie im Anhang)
Wie dick die Kupferauflage auf dem GPS modul selber ist weiss ich nicht,
die Bahn ist allerdings signifikant schmaler als meine(Ich denke die auf
dem Board ist 0.1mm, meine 0.5mm)

Ein bisschen offtopic, aber welche Frequenz würde ich nun z.B. in solch
ein Tool eingeben um die Parameter für eine Microstrip-Anbindung an ein
GPRS Modul zu bestimmen, welches 2 oder gar 4 Frequenzbänder aufweist?

[Georg (Gast)]

Nik Bamert schrieb im Beitrag #3730060:
> aber welche Frequenz würde ich nun z.B. in solch
> ein Tool eingeben

Eine davon reicht - die ideale Transmission Line ist nämlich 
frequenzunabhängig. Ich gebe daher die Frequenz nur als Grössenordnung 
ein, z.B. 100 MHz oder 2 GHz. Du kannst aber auch vorsichtig sein und 
die Leiterbahn für 2 Frequenzen berechnen und dann den Mittelwert 
nehmen. Du wirst aber z.B. bei AppCad feststellen, dass der Impedanzwert 
gleich bleibt (die Werte für Wellenlänge usw. natürlich nicht).

Georg

[Nik D. (y2kicn)]

Danke Georg! Da ich nun endlich parrallels+Win7 auf meinem Mac 
installiert habe, habe ich nun auch AppCad zur Verfügung. Mir ist dabei 
aufgefallen, dass die Länge der Bahn gar keinen Einfluss auf die 
resultierende Impedanz hat, sondern nur auf die elec length.  (Ich nehme 
an, dass dies der Quotient bahnlaenge/wellelaenge bei gegebener Frequenz 
ist)

Weshalb die Bahnlaenge ansich aber keinen Einfluss auf die Impedanz hat, 
verwirrt mich etwas. Ich habe zwar nur 1 Jahr E-technik studiert und 
danach auf Informatik gewechselt, meine mich aber erinnern zu können 
dass der DC-Widerstand auch in die Impedanz einfliesst. Ist dieser 
Widerstand bei Kupfer mit Goldauflage einfach so gering, dass er 
vernachlaessigt wird?

[Georg (Gast)]

Nik D. schrieb:
> Ist dieser
> Widerstand bei Kupfer mit Goldauflage einfach so gering, dass er
> vernachlaessigt wird?

Solange du dich auf Leiterplatten bewegst, ja, da ist die Länge ja 
begrenzt. Bei Kabeln ist das anders, aber da gibt es ein Datenblatt.

Übrigens gilt das für beide ohmschen Widerstände: der Längswiderstand 
ist zu klein und der Querwiderstand (Isolation) zu gross, so dass man 
nur L und C in die Rechnung einbezieht. Das sind dann verlustfreie 
"lossless transmission lines". Es gibt natürlich auch Formeln für "lossy 
transmission lines", die sind natürlich komplizierter.

Eine 150 µ Leiterbahn von 10 cm Länge hat 0,5 Ohm, das kann man 
unberücksichtigt lassen.

Georg

[Nik D. (y2kicn)]

Super, Danke!
Etwas ist mir allerdings noch eingefallen, worüber AppCad und die 
diversen online Tools für Impedanzberechnungen nicht mit einbeziehen, 
und zwar den seitlichen Abstand auf dem gleichen layer von der 
Microstrip zur naechsten Groundplane.
Die Permittivitaet ist hier natuerlich anders, da zwischen der 
Microstrip und der seitlichen Groundplane kein FR4 liegt.

Mir ist in vielen Designs zudem aufgefallen, dass am Rand der 
Groundplane nebed Microstrip oft recht viele Vias angebracht werden; - 
womoeglich um das Volumen des Dielektrikums des Basismaterials genauer 
bestimmen zu können.(?)

Sprich etwas dagegen, solche Vias an dieser Stelle anzubringen?

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Appcad hat auch noch einen "Coplanar Waveguide" statt Microstrip. Da 
sind neben der Microstrip weitere Masseflächen angebracht.

So erhöht sich die Querkapazität der Microstrip gegen Masse, ohne die 
Längsinduktivität zu ändern. Damit verringert sich der Wellenwiderstand 
SQRT(L/C).
Das ist eine weitere Möglichkeit, die Breite der eigentlichen 50 
Ohm-Leitung zu verringern.

[Georg (Gast)]

Nik D. schrieb:
> und zwar den seitlichen Abstand auf dem gleichen layer von der
> Microstrip zur naechsten Groundplane.

Wenn du da auch GND hast, ist das wie schon beschrieben ein anderes 
"Modell", nämlich Coplanar Waveguide.

Das erklärt auch die Vias - GND-Flächen müssen so gut wie möglich 
elektrisch verbunden sein. Schaden kann ein Via zwischen 2 GND-Flächen 
nicht.

Georg