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5-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen Optimierung von

Antennen Optimierung von PCB-Antennen für reale Umgebungen einem derartig optimierten Entwurf wurde bei einer kompakten 868/915-MHz-Modulantenne eine Reichweite von 1 km im Freifeld erreicht. Betrachten wir mithilfe der EM-Simulation einige externe Einflüsse für eine 868-MHz- Antenne, die auf der Texas Instruments Design Note DN024 basiert. Die Antenne wird einem Anpassnetzwerk auf 868 MHz abgestimmt und erreicht ein SWR 100 ist gar zu beobachten, wenn die Antenne in 5 mm Abstand bündig über dem PCB montiert wird. In dieser Einbausituation behindert die Masse von Motherboard 1 die Abstrahlung und verstimmt massiv die Antenne. Bild 1 zeigt das Antennenmodul solo und an unterschiedlichen Positionen, während Bild 2 das Werden fremde Antennen-Designs für das eigene Projekt übernommen, bei veränderten PCB- Abmessungen, so führt dies oft zu Enttäuschungen. Denn die Performance von Antennen auf Leiterplatten – und damit die Reichweite der Systeme – hängt stark von der Einbausituation der Antenne ab. Dies betrifft insbesondere kompakte Antennen, bei denen die Massefläche des PCBs immer ein integraler Bestandteil ist. Aber auch nahegelegene Metallstrukturen verändern das Verhalten der Antenne deutlich, ebenso wie das umgebende Gehäuse. Das „Drumherum“ beachten Zur Optimierung der Reichweite muss man bereits beim Antennenentwurf die Umgebungseinflüsse und tatsächlichen PCB- Dimensionen berücksichtigen. Der Aufwand lohnt sich: Mit Dr.-Ing. Volker Mühlhaus Dr. Mühlhaus Consulting & Software GmbH Bild 1: Antennenmodul solo und an unterschiedlichen Positionen 20 hf-praxis 5/2019

Antennen Bild 2: SWR bei unterschiedlichen Positionen des HF-Moduls SWR bei diesen dokumentiert. Der große Einfluss der Anordnung auf die Antennen-Performance wird auch im Antennendiagramm deutlich, wenn wir den realisierten Gewinn vergleichen, also die Verluste durch Fehlanpassung einbeziehen. Die HF-Leiterplatte hat allein eine achtförmige Abstrahlcharakteristik, ähnlich einem Dipol. Bei Anordnung mittig auf der Kante des Motherboards mit „freiem“ Strahler (Motherboard 3) bleibt diese Abstrahlcharakteristik weitgehend erhalten, mit um 6 dB reduziertem Gewinn durch Fehlanpassung. Bei Position in der Ecke (Motherboard 2) ergibt sich eine deutlich andere, eher rundstrahlende Charakteristik mit einem stärkeren Einbruch in der Richtung, wo beim separat gemessenem Antennen- PCB ein Maximum war. Bei Anordnung der Antenne bündig über dem PCB gibt es kaum Richtwirkung in der Ebene, bei einem wegen starker Fehlanpassung sehr kleinen realisierten Gewinn von bestenfalls -16 dBi. Bild 3 zeigt das Antennendiagramm bei unterschiedlichen Positionen desselben HF-Moduls. Man erkennt, dass für ein optimales Antennen-Design die Umgebung der Antenne frühzeitig berücksichtigt werden sollte. Dies ist durch 3D-EM-Simulationen problemlos möglich, wobei neben den Montageabhängigkeiten auch Empfindlichkeit auf Materialtoleranzen untersucht werden können. Gerade bei direkt auf FR4 realisierten Designs ist dies unbedingt sinnvoll, denn so kann vorab geprüft werden, Bild 3: Antennendiagramm bei unterschiedlichen Positionen desselben HF- Moduls ob ein teureres Basismaterial mit besseren Spezifikationen sinnvoll ist. Design für eine Zielumgebung Mit diesen Erkenntnissen wird nun eine kompakte 868-MHz- Antenne in USB-Stick-Bauform realisiert. Wegen der geringen Baugröße wirkt hier nicht nur die Masse im USB-Stick auf die Abstimmung der Antenne, sondern auch das angeschlossene Gerät. Stimmt man die Antennenresonanz allein auf den Stick ab, so ergibt sich im realen Betrieb eine deutliche Fehlanpassung und entsprechend reduzierte Reichweite. Durch den Entwurf der Antenne für die tatsächliche Umgebung – hier ein Raspberry Pi – ergibt sich eine gute Performance, die auch in ähnlichen Umgebungen erhalten bleibt. Das Aufmacherbild zeigt den Stick am µC. Dargestellt in den Bildern 4 bis 6 ist das SWR für den Stick einzeln (Resonanz bei 1 GHz) sowie angeschlossen an einen Raspberry Pi sowie einen typische Laptop-Situation und typische Anordnung am Desktop PC. Bild 4: SWR des Funkstick je nach Montageort Bild 5: Antennendiagramm Funkstick mit flachem GND (Notebook) hf-praxis 5/2019 21

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel