PCB-Antennen Schritt-für-Schritt-Optimierung einer IIoT-Antenne

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Eine Antenne zu entwerfen und zu optimieren, ist kein leichtes Unterfangen. Will man eine industrielle IoT-Antenne bauen, kann man ein Referenzdesign als Ausgangspunkt verwenden. Aber was sollte man ändern, um das Design zu optimieren, wenn man es in ein Endprodukt implementieren will?

Es heißt oft, ein erfahrener Designer kann das problemlos. Aber was ist ein erfahrener Designer? Oft machen Experten ihren Job schon eine ganze Weile und haben über einen langen Zeitraum aus gesehenen und eigenen Fehlern gelernt. Das Problem ist, dass sich die technologischen Standards schnell verändern und junge Ingenieure nicht mehr die Zeit haben, Fehler zu machen. Außerdem müssen sie in einer kürzeren Markteinführungszeit „First Time Right“ entwerfen. Die Lösung ist ein EDA-Tool, mit dem der elektronische Entwurf bis zu einem gewissen Grad automatisiert wird.

Ziel des hier beschriebenen industriellen IoT-Projekts war es, eine Bluetooth-Antenne in das Produkt zu integrieren, das Display zu entfernen und das Gerät mit einer App auf einem Smartphone zu konfigurieren. Dies ist eine gängige Aufgabe und kann für eine Vielzahl von Produkten verwendet werden.

Die Suche im Internet nach Referenzdesigns mit passenden Designdaten kann sich schwierig gestalten. Für unser Projekt bot sich das Bluetooth Low-Energy BLE Referenzdesign von Cypress an. In der dazugehörigen Spezifikation ist zu lesen, dass dieses Design nur als Referenz dient und nicht als Modul in Produkten verwendet werden soll. Es ist also dafür gedacht, im Labor zu arbeiten, und man kann Kommunikations-Software für die Bluetooth-Schnittstelle entwickeln, bevor die eigene Leiterplatte entworfen wird.

Die Designdaten für Schaltplan, Stücklisten (BOM) und PCB-Layout lagen im Cadence Allegro-Format vor – der ideale Ausgangspunkt für unsere Optimierung. Das Referenzdesign verfügt über große Anschlüsse als Steckverbinder für den Betrieb im Labor.

Optimierung der Antennenleistung

Miniaturisierung und Optimierung der Antennenleistung waren die beiden Ziele des Projekts. Eine Miniaturisierung des Formfaktors kann erreicht werden, wenn Steckverbinder durch eine starre, flexible Leiterplatte ersetzt werden. Aber hat dies Auswirkungen auf die Antennenleistung? Wir haben eine Reihe von What-if-Analysen durchgeführt, um die Auswirkungen dieser Änderungen zu verstehen und die richtige Strategie zu finden, um unsere beiden Ziele zu erreichen.

Der Import und das Einrichten der Entwurfsdaten in Cadence AWR Microwave Office waren einfach. Die Simulations-Ports wurden automatisch eingerichtet, und wir mussten nur einige Parameter für die Mesh-Größe eingeben. Weiterhin wurden die realen Materialwerte für unsere Produktionsleiterplatte mit den richtigen Dicken- und Dielektrizitätswerten eingegeben (FR-4: Standard ISOLA HR 370 ε_r = 4,0).

In einer ersten Analyse wurde die Länge der MIFA (Meandered Inverted F-Antenna) und das Impedanzanpassungsnetzwerk zwischen dem Chip und der Antennenstruktur untersucht.

Ein Simulations-Sweep durch eine Kombination verschiedener Antennenlängen lieferte uns die richtige Länge für die Rückflussdämpfung der Antenne bei unserer gewünschten Frequenz von 2,45 GHz.

Ein weiterer automatischer Sweep mit vielen Analysen und einer Kombination aus verfügbaren diskreten Bauteilen aus unserer realen Bauteilbibliothek verbesserte die Leistung des Impedanzanpassungsnetzwerks in Kombination mit unseren Werten für das zu verwendende Leiterplattenmaterial. Allein diese wenigen Analysen würden zu einer Verbesserung der Antennenleistung um 2 dB führen. An dieser Stelle war die Miniaturisierung noch nicht berücksichtigt.

Miniaturisierung der Antenne

Die Miniaturisierung von Antennen stellt ein Problem dar, da Antennen genügend Masse (Ground, GND) benötigen, um zu funktionieren. Verringert man den Formfaktor, wird die Massefläche auf der Leiterplatte kleiner. Das Massesystem im Referenzdesign besteht aus zwei Ebenen, mehreren Durchkontaktierungen und einem externen Kabel, das mit GND verbunden ist.

Analysiert wurde der kleine Bereich der Leiterplatte, auf dem sich die Antenne und die Schaltung befinden. Dabei wurde festgestellt, dass die Masse im starren Bereich nicht ausreicht, damit die Antenne wie gewünscht funktioniert. Es musste also eine zusätzliche Massefläche auf dem flexiblen Teil der Leiterplatte vorgesehen werden. Wenn dies als solide Ebene auf dem flexiblen Teil implementiert wird, wäre es in Simulationen einfach und schnell. Wendet man jedoch eine schraffierte Struktur an, um das Biegen des flexiblen Bereichs zu ermöglichen, ohne das Kupfer zu brechen, erhöhen sich die Anzahl der notwendigen Maschen und somit auch die Simulationszeit.

Ein Vergleich zwischen verschiedenen Strukturen und -größen zeigte jedoch, wie sehr man die Struktur für die What-if-Analyse vereinfachen konnte, ohne den Simulationsfehler signifikant zu vergrößern. Trotzdem soll die endgültige Simulation am Schluss der Entwicklung immer so genau wie möglich sein, auch wenn es dann ggf. Stunden dauert.

Mindestabstand zwischen Gehäuse und Antenne

Eine weitere Sweep-Analyse untersuchte den Mindestabstand zwischen dem Gehäuse aus Kunststoff und der Antenne. In unserem Fall haben wir gesehen, dass ab einem Abstand von etwa 10 mm das Gehäuse das Verhalten der Antenne nicht mehr wesentlich beeinflusst.

Als nächstes stellt sich die Frage, wie groß die Auswirkungen sind, wenn man die Form des flexiblen Teils der Leiterplatte ändert. Durch Entwerfen verschiedener Formen in 2D oder durch Falten und Biegen in 3D. Nachdem die Einbauposition im Produkt bestätigt und die Länge sowie Form des flexiblen Teils bestimmt worden war, stellte sich die nächste Frage, wie das starre Teil der Leiterplatte montiert werden sollte.

Eine weitere Analyse von Schraubenpositionen machte deutlich, dass die beste mechanische Position für eine Schraube einen sehr negativen Einfluss auf die Antennenleistung haben würde. Auf der Suche nach alternativen Befestigungsmöglichkeiten wurde eine Snap-In-Lösung im Plastikgehäuse bevorzugt. Dies wiederum würde Ausschnitte in der Leiterplatte erfordern.

Die Visualisierung der Stromdichte in der Leiterplatte zeigte, dass Ausschnitte mit 90°-Ecken oder Montagelöcher hohe Ströme in den Ecken aufweisen, was zu EMV-Problemen führt. Daraufhin wurden mehrere Änderungen im Layout vorgenommen, um die EMV-Probleme zu minimieren.

Am Ende konnte durch Miniaturisierung die Fläche der Leiterplatte auf 53 Prozent der ursprünglichen Größe des Referenzdesigns reduziert werden. Zusätzlich wurde die Bandbreite vergrößert, und die Leistung der PCB-Antenne wurde um 6 dB (Faktor 4) erhöht.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass ein Antennendesign kritisch wird, wenn man es miniaturisiert. Auf mechanische Montagebedingungen wie Befestigungslöcher, Abstände und Gehäusematerial sowie EMV-Probleme muss unbedingt geachtet werden. Schließlich war das Design, nach den virtuellen Simulationen, auf Anhieb richtig. Die Zeit bis zur Markteinführung wurde entsprechend verkürzt im Vergleich zur Herstellung eines zusätzlichen Prototyps mit neuem Design. (jw)

* Dirk Müller ist Geschäftsführer und Dirk Linnenbrügger ist Applikationsingenieur bei FlowCAD in Feldkirchen bei München.

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