Optimale HF-Signalführung für Helix-Antenne auf 4-Lagen-PCB (1,6 GHz)

[Denny A. (denny_a)]

Hallo zusammen,

ich arbeite an einem 4-Lagen-PCB-Design mit FR4 (1,6 mm) für eine 
1,6-GHz-Helix-Antenne und benötige eure Einschätzung zur optimalen 
HF-Signalführung.

Aufbau des Designs:

Helix-Antenne: Besteht aus 4 mm Kupferrohr und ist ca. 15 cm hoch.
Das PCB dient als Reflektor für die Helix-Antenne.
Top-Layer (Layer 1): 5x5 mm SMD-Lötfläche für die Helix, auf der sie 
direkt verlötet wird.
Layer 2 (GND-Ebene): Durchgehende Massefläche für Abschirmung und als 
Reflektorfläche für die Antenne.
Layer 3 (optional Power oder zusätzliche Masse): Kann ggf. für 
HF-Optimierung genutzt werden.
Bottom-Layer (Layer 4): Hier sitzt der LNA direkt unterhalb der Helix, 
um das Signal verlustarm zu verstärken.

HF-Signalführung:

Ich plane, das HF-Signal über mehrere Vias von der 5x5 mm Lötfläche auf 
der Oberseite direkt zum LNA auf der Unterseite zu führen.

Mein aktueller Plan sieht so aus:

3–4 Signal-Vias in der Lötfläche, um eine gleichmäßige Stromverteilung 
zu gewährleisten.
4–6 Masse-Vias um die Signal-Vias, um eine koaxiale HF-Struktur zu 
erhalten und Reflexionen zu minimieren.
Falls erforderlich, eine kurze 50-Ω-Leitung auf Layer 4 zum LNA-Eingang.

Fragen an die HF-Experten:

Ist die Anzahl der Signal-Vias (3–4) für eine verlustarme HF-Führung 
ausreichend, oder wären mehr sinnvoll?

Sollten die Signal-Vias symmetrisch innerhalb der 5x5 mm Fläche verteilt 
sein, oder gibt es eine bessere Strategie?

Wie wichtig sind zusätzliche Masse-Vias um den LNA herum? Gibt es eine 
empfohlene Platzierung für optimale Abschirmung?

Sollte die HF-Struktur auf der Unterseite (LNA-Eingang) ähnlich wie die 
Oberseite (Helix-Anschluss) gestaltet werden? Beispielsweise mit einer 
5x5 mm Kupferfläche, um die Signal-Vias sauber anzubinden? Oder wäre 
eine andere Lösung (z. B. mehrere schmalere Leiterbahnen) vorteilhafter?

Ich freue mich auf euer Feedback und bedanke mich im Voraus für eure 
Einschätzungen!

Viele Grüße,
Denny

[Kay-Uwe R. (dfias)]

Wie wär´s denn mit einer Skizze statt langer Prosa? Verstanden hab ich 
die Konstruktion nicht.
Und bist du sicher, dass das FR4 nicht das größere Problem darstellt in 
Bezug auf die Via-Positionierung? Von optimal sind wir mit beidem sicher 
weit entfernt.

[Denny A. (denny_a)]

Anbei ein Bild der geplanten Konstruktion.
Mir ist bewusst, dass es bessere Materialien als FR4 gibt. Dieses 
Hobbyprojekt soll aber in einem überschaubaren finanziellen Rahmen 
bleiben.

[Klaus B. (forrestjump)]

moin,
keep it simple.
Man kann natürlich auf der rückwärtigen Kupfer Seite des Reflektors 
einen LNA integrieren. Sieht jedenfalls professioneller aus.
Ist das sinnvoll in einem Hobbyprojekt?
Ich meine nein.
Warum?
Weil sich dann Modifizierungen/ Anpassungen/ Reparaturen daran als 
komplizierter erweisen. Ich habe es für eine Inmarsat Helix so gemacht: 
polierter dicker Kupferdraht (wegen Breitbandigkeit) mit mehr Augenmerk 
auf die Anpassung der Helix an 50 Ohm mit einem Kupferstreifen. Von der 
SMA Buchse per Kupplung direkt in einen LNA. In meinem Fall war es der 
LNA4all. Andere besser geeignete nach belieben. Mit einer abgewinkelten 
Kupplung, kann man noch erreichen dass der LNA nicht unnötig absteht. 
Mit dem 3D Drucker eine Abschlusskappe als "snap in" drucken, damit es 
ein bischen wetterfester wird. Mit der Halterung von Thingiverse, hab 
ich das Problem gehabt, dass das Ende der letzten Windung so nicht wie 
notwendig im richtigen Abstand zum Reflektor war.
Denk auch dran, wenn sie (die Helix) in einem Spiegel sitzt, das sich 
die Polarisation ändert.

Gutes Gelingen.