Antennenanpassung – Eine einfache Erläuterung des Vorgehens
Heutzutage ist die Unterstützung durch smarte Geräte zu Hause, unterwegs, im Büro und in der Freizeit nicht mehr wegzudenken. Die Geräte sind dazu immer mehr vernetzt und man spricht vom sogenannten «Internet der Dinge (IoT)». Eine zuverlässige Konnektivität bildet dabei das Rückgrat. Von intelligenten Sensoren bis hin zu industriellen Steuerungssystemen benötigen IoT-Geräte eine robuste und effiziente Möglichkeit, Daten über drahtlose Netzwerke zu übertragen. Für IoT Geräte gibt es verschiedene Standards, wie LTE Cat M1 (LTE-M), NB-IoT oder LoRaWAN, die speziell für diese Anwendungen entwickelt wurden.
Ein zentraler Punkt der drahtlosen Kommunikation ist der Transfer der Signale von der Elektronik in die Luft. Das geschieht mit einer geeigneten Antenne. Doch nicht nur die Antenne, sondern auch deren Einbau, die nahe Umgebung und die Beschaltung sind entscheidend.
Dieser Blogbeitrag beschreibt Designüberlegungen und den Prozess des Matching-Netzwerk-Designs zur Optimierung von LTE Cat M1-Antennen. Dadurch kann die Reichweite signifikant verbessert und der Energiebedarf reduziert werden.
Warum braucht es ein Antennen-Matching?
Die Effizienz der Signalübertragung zwischen einer Antenne (Last) und einem Funkmodul (Quelle) hängt wesentlich von der Übereinstimmung ihrer Impedanzen ab. Beim Antennen-Matching geht es also um einen Impedanz Abgleich. Bei RF-Anwendungen liegt diese typischerweise bei 50 Ohm. Abweichungen in den Impedanzen führen zu Signalreflexionen, die Leistungsverluste und eine ineffiziente Übertragung zur Folge haben. Während die Antennen vom Hersteller normalerweise auf 50 Ohm Impedanz abgestimmt sind, ändert sich die Impedanz in der realen Welt durch Umgebungseinflüsse. Diese können unter anderem durch unterschiedliche Materialien in der Nähe der Antenne, Elektronikkomponenten im Antennenpfad sowie dem PCB, bzw. der Platzierung der Antenne, verursacht werden.
Um diesen Impedanz-Unterschied zu korrigieren, wird ein Matching-Netzwerk eingesetzt. Dieses besteht aus passiven elektronischen Bauteilen wie Induktoren, Kapazitäten und teils Widerständen. Diese Komponenten werden im Antennenpfad zwischen dem Funkmodul und der Antenne platziert. Durch die richtige Topologie und Dimensionierung der Komponenten kann die Impedanz der Antenne angepasst werden.
S11 Return Loss Messung und Smith Chart
Die Impedanz wird durch eine S11-Messung mit einem VNA (Vector Network Analyzer) ermittelt. Die Resultate werden normalerweise im Smith-Chart sowie als Log-Magnitude Diagramm dargestellt.
Bei der Messung wird für jede Frequenz ein Punkt auf dem Smith-Chart aufgeführt. Das Smith-Chart visualisiert Impedanzen und Reflexionen als Imaginär- und Realanteil. Der Abstand des Frequenzpunktes zum Zentrum des Smith-Charts entspricht der Dämpfung. Mehr Abstand zum Zentrum entspricht mehr Reflexion und entsprechend weniger übertragener Leistung.
Das Zentrum des Smith-Diagramm entspricht einer Impedanz von 50 Ohm. Dabei ist die Dämpfung -∞dB. Ziel ist es, die Frequenzpunkte möglichst nahe ans Zentrum zu bringen. Das kann durch den Einsatz von seriellen oder parallelen Komponenten im Antennenpfad realisiert werden:
- Serielle Komponenten rotieren den Frequenzpunkt um den Real = ∞ Punkt auf der rechten Seite (graue Linien)
- Parallele Komponenten rotieren den Frequenzpunkt um den Real = -∞ Punkt auf der linken Seite (orange Linien)
Beispielsweise könnte Punkt Z1 in Abbildung 1 mit einem seriellen Kondensator (C) in Richtung Zentrum gebracht werden. Zu beachten ist, dass jeweils alle Frequenzpunkte von einem Bauteil im RF-Pfad beeinflusst werden. So kann also ein nächster Frequenzpunkt durch die Modifikation vom Zentrum weggebracht werden. Ein optimaler Kompromiss ist zu finden.
Abbildung 1: Beispiel Smith-Chart
Antennenauswahl und Designüberlegungen
Es gibt eine breite Auswahl an Antennentypen mit ihren Vor- und Nachteilen wie z.B. Dipol-, Patch- / Chip-, Omnidirektionale- oder Richtantennen.
Sämtliche Antennen gibt es für unterschiedliche Frequenzbänder. Unserer Erfahrung nach wird in vielen Fällen entweder eine Dipolantenne als Flex-Print oder eine Patch-Antenne als Bestandteil des PCBs verwendet.
Folgende grundsätzlichen Überlegungen sollten mindestens für die Antennenauswahl berücksichtigt werden:
- Datenblatt-Kenngrössen vs. Kenngrössen unter Realbedingungen
Die im Datenblatt angegebenen Kenngrössen (z.B. VSWR) sind als Idealfall, unter Laborbedingungen, zu betrachten. Unter Realbedingungen werden die Kenngrössen abweichen. - Benötigte Frequenzen
Je breitbandiger die Antenne sein soll, desto mehr Kompromisse müssen eingegangen werden. - Platzverhältnisse im Gehäuse
Grosser Antennen-Grundriss und wenig Höhe vs. Kleiner Antennen-Grundriss und mehr Höhe.
Beispielsweise sind Patch-Antennen sehr flach und die Antenne an sich auch klein, jedoch ist eine grosse Ground-Fläche rund um die Antenne benötigt und dadurch resultiert ein grosser Grundriss.
Grundsätzlich gilt, je tiefer die Frequenz, desto grösser die Antenne. - Gehäusematerial
Gewisse Antennen werden vom Hersteller auf ein entsprechendes Material optimiert. - Reproduzierbarkeit bei der Montage
Abweichungen in der Montage haben einen Einfluss auf die Impedanz und dadurch die Leistung. Kleine Änderungen wie z.B. ein anders verlegtes Kabel im Gerät oder eine schräg aufgeklebte Antenne können die Impedanz der Antenne stark verändern. Eine enge Zusammenarbeit zwischen HW-Entwicklung, Konstruktion und Produktion ist entscheidend.
Ablauf der Antennenpfadanpassung (Matching-Netzwerk)
Grundsätzlich sollte der Return Loss so gering wie möglich sein. Die Praxis hat gezeigt, dass breitbandige Antennen mit einem Return Loss von maximal -6dB (VSWR < 3:1) funktionieren. Für schmalbandige Antennen wie z.B. GPS sollte ein maximaler Return Loss von -10dB (VSWR <2:1) angestrebt werden.
Um das Matching-Netzwerk zu evaluieren, müssen folgende Komponenten physisch verfügbar sein:
- Antenne
- Elektronik
- Gehäuse
- Verkabelung / Montage geklärt
Sind diese Voraussetzungen erfüllt, kann anhand des nachfolgenden Prozesses das Matching-Netzwerk evaluiert werden. Es ist zu beachten, dass dies ein iterativer Prozess ist und die einzelnen Schritte teilweise mehrere Durchläufe benötigen.
- Touchstone File mit VNA aufnehmen
- Simulation aufbauen (z.B. mit Qucs Studio)
- Simulation verifizieren
- Matching Netzwerk in Simulation optimieren
- Induktivitäten und Kapazitäten entsprechend der optimierten Simulation bestücken
- Testmessungen durchführen
- Matching-Netzwerk schrittweise entsprechend dem Smith-Chart anpassen
Return Loss Messungen werden mit einem VNA durchgeführt. Dabei sollte der komplette RF-Pfad gemessen werden:
Abbildung 2: RF-Pfad mit π Netzwerk Impedanc Matching-Topologie
In folgendem Beispiel konnte mit einem Matching-Netzwerk, optimiert nach dem oben erwähnten Prozess, der Return Loss der Antenne deutlich verbessert werden. Zwischen den Markern (Frequenzband) konnte der S11 im Durchschnitt von -5dB auf -9dB verringert werden. Durch diese Verbesserung wurde die Reichweite der Antenne um mehrere Kilometer gesteigert.
Abbildung 3 links: S11 ohne matching / Abbildung 4 rechts: S11 mit matching
Fazit
Die Optimierung von Antennen durch ein Impedanz-Matching-Netzwerk ist entscheidend für eine effiziente Signalübertragung im IoT. Durch präzises Design, Evaluation und Optimierung kann die Leistung und Reichweite der Antennen signifikant verbessert werden. Während der Entwicklungsprozess aufwändig ist und viel Know-How erfordert, ist eine zuverlässigeren Konnektivität und eine effiziente Datenübertragung in der Welt von IoT unerlässlich.
RF-Anwendungen benötigen ein spezifisches Wissen und Equipment. Die CSA Engineering hat in mehreren Projekten für verschiedene Kunden die Entwicklung und/oder Optimierung von Funk Anwendungen unterstützt beziehungsweise übernommen.
Gerne unterstützen wir auch Sie bei Ihren Vorhaben.