Die beste Antennen-Design-Software vereinfacht die Umsetzung von Antennen

Zachariah Peterson
|  Erstellt: April 9, 2020
Die beste Antennen-Design-Software vereinfacht die Umsetzung von Antennen

PCB-Antennen-Design kann für eine Software zu einer schwierigen Aufgabe werden, allerdings sollte dies kein Problem für Altium Designer darstellen.

ALTIUM DESIGNER

Die Gewährleistung, dass Ihre Antennen-Designs problemlos platziert werden.

Die Kunden- und Branchennachfrage hat dazu geführt, dass der Bedarf nach kleineren und drahtlosen Geräten gestiegen ist. Die Geräte unterstützen tragbare Technologien, Bluetooth Low Energy (BLE) Anwendungen, persönliche Kommunikationssysteme, Internet of Things (IoT) Anwendungen, medizinische Technologien, fortschrittliche selbstgesteuerte Fahrassistenzsysteme und andere innovative Technologien. Jede dieser Anwendungen und andere benötigen PCB-Antennen, die den manuellen Footprint und Kosten einschränken und gleichzeitig hohe Leistungen bringen. Zusätzlich müssen PCB-Antennen-Designs den Frequenzeinschränkungen entsprechen, die sich vom gewöhnlichen 2,4 GHz Band bis hin zu Frequenzen aus Millimeterwellen erstrecken.

Anstatt eine dreidimensionale Verdrahtung zu nutzen, die sich über das PCB oder eine Chip-Antenne zieht, besteht eine PCB-Antenne aus einer Leiterbahn auf einem PCB. Je nach Typ der Antenne sowie Raumbeschränkungen beinhalten die Antennentypen, die als PCB-Antennen benutzt werden, gerade Leiterbahnen, seitenverkehrte F-Typ Leiterbahnen, geschlängelte Leiterbahnen, kreisförmige Leiterbahnen oder kurvige Leiterbahnen mit Wellen. Die zweidimensionale Struktur der PCB-Antenne verlangt nach einer Design-Software wie Altium Designer, um zu gewährleisten, dass die Struktur den vom Hersteller gegebenen Spezifizierungen entspricht.

Die beste PCB-Antennen Design-Software kombiniert Innovation mit Anwendung

Manche Hersteller bieten PCB-Antennen als bereits fabrizierte Komponente an, die Kabel und Anschlüsse enthält. Mit den unzähligen verfügbaren Optionen für PCB-Antennen kann das Team zum Systemdesign beitragen oder eine Antenne je nach elektrischen und mechanischen Vorgaben individualisieren. PCB-Antennen-Designs erstrecken sich von einfachen Mikrostreifenantennen bis hin zu Kombinationen aus Mikrostreifenantennen, Streifenleitungen und komplanaren Wellenleiter (CPW) Übertragungsleitungen. Bei manchen Designs werden verschiedene Übertragungsleitungen mit der gleichen PCB-Antenne kombiniert.

Die Wahl eines PCB-Antennen-Designs hängt von der Anwendung ab. Eine drahtlose Maus benötigt nicht dieselbe RF-Weite und Datenreichweite wie andere Anwendungen. Mit dem IoT verbundene Sensoren und Geräte verlangen eine größere RF-Weite und Datenreichweite. Neuer PCB-Antennen-Designs verfügen über Zwei-Band- und Mehrfrequenz-Band-Reichweite infolge von Systemanwendungen mit Breitbandfrequenz-Reichweiten oder mehreren Anwendungen, die von derselben Antenne versorgt werden.

Aufgrund der vielen unterschiedlichen RF-Weiten verfügen Designs mit demselben Leistungsbedarf oftmals über verschiedene Layouts und wenden verschiedene Prinzipien für das Antennen-Design an. Unabhängig von der Anwendung haben das Design der Antenne und das RF-Layout die größten Auswirkungen auf ihre Leistung. Zusätzlich müssen PCB-Antennendesigner Layout-Richtlinien für die RF-Leiterbahnen einhalten, die besten Maßnahmen beim PCB-Stackup und Erdung beachten, Entkopplung bei der Stromversorgung bieten und die passenden passiven RF-Komponenten auswählen. Unterschiede beim Design und bei den Produktanforderungen verlangen nach einer effektiven Antennen-Design-Software.

Beispielsweise nutzen manche Hochfrequenzanwendungen, die keine hohe Verstärkung benötigen, Monopol-PCB-Antennen, die aus einem Mikrostreifen bestehen, der auf einer Seite über einen Schaltungsschichtstoff verfügt, der von einer größeren Grundplatte durch ein Dielektrikum abgetrennt wird. Andere Anwendungen benötigen möglicherweise eine höhere Verstärkung bei bestimmten Frequenzen und verwenden Konfigurationen mit mehreren Schichten. In jedem Fall hat die Wellenlänge der anvisierten Betriebsfrequenz eine direkte Verbindung zur Größe des Patches.

PCB-Antennen-Design benötigt grundlegenden Ansatz

Das PCB-Antennen-Design beginnt mit der Festlegung von wichtigen Leistungsparametern. Zu diesen Parametern gehören

  • Rückflussdämpfung
  • Bandbreite
  • Strahlungsleistung
  • Strahlungsmuster und
  • Verstärkung.

Jede Antenne muss zu einer Signalzuführung mit der typischen charakteristischen Impedanz von 50 Ohm passen. Die Rückflussdämpfung einer Antenne deutet auf die Qualität der Kompatibilität hin und zeigt die Menge der Vorlaufleistung (dB), die aufgrund einer Diskrepanz von der Antenne zurückgeworfen wird. Eine endlose Rückflussdämpfung zeigt, dass die Antenne zur Signalzuführung passt. Perfekte Antennen-Designs strahlen die gesamte Energie ohne jegliches Zurückwerfen aus. Allgemein sind sich Designteams einig, dass eine Rückflussdämpfung von 10 dB ausreicht, 90 % der Vorlaufleistung geht zur Ausstrahlung an die Antenne.

Die Bandbreite einer Antenne misst den Frequenzgang der Antenne. Mit anderen Worten, die Bandbreite misst die Fähigkeit der Antenne, die Signalzuführung über das gesamte Frequenzband anzupassen. Wenn man die Arbeit mit einem BLE-Gerät als Beispiel nimmt, sind die größten Verluste bei 2,33 GHz bis 2,55 GHz zu verzeichnen, während die geringsten Verluste und höchste Effizient zwischen 2,40 GHz und 2,48 GHz liegen. Die meisten Verbrauchergeräte verwenden eine größere Bandbreite, um den durch die Betriebsumgebung hervorgerufenen Effekt der Verstimmung zu vermeiden.

Die Strahlungsleistung beschreibt die Menge der nicht zurückgeworfenen Leistung, die als Hitze- oder Wärmeverlust von der Antenne abgeleitet wird. 100 % Strahlungsleistung zeigen, dass die gesamte nicht zurückgeworfene Leistung in den freien Raum zurückgeworfen wird. Bei PCB-Antennen erfolgt Wärmeverlust über den dielektrischen Verlust des FR4 Substrats und den Leitungsverlust auf den Leiterbahnen. PCB-Antennen im Kleinformat weisen die geringsten Wärmeverluste und die höchste Strahlungsleistung vor.

Neben der Strahlungsleistung verfügen Antennen über eine spezifische Strahlungskraft. Das ideale Antennenverhalten zeichnet sich durch eine gleichmäßige Strahlungskraft in alle Richtungen auf senkrechter Ebene zur Antennenachse aus. Die meisten PCB-Antennen verfügen über eine exzellente – jedoch nicht unbedingt ideale – Strahlungsleistung mit rundstrahlenden Mustern. Da die Strahlungsmuster die Richtungen mit der höchsten und niedrigsten Strahlung anzeigen, zeigt die Strahlungsleistung, wie man die Antenne für die Anwendung am besten ausrichten kann. Die Verstärkung (dBi) einer Antenne misst die Stärke der Strahlung in anvisierter Richtung im Vergleich zum idealen Verhalten.

Neben der Beachtung dieser Parameter benötigen PCB-Antennen eine Grundplatte passender Größe, um optimale Leistungen erbringen zu können. Aus einer simplen Designperspektive betrachtet, fungiert die Antenne als LC-Resonator. Die Resonanzfrequenz sinkt bei einer gesteigerten Induktivität oder Kapazität. Eine größere Grundplatte steigert die Kapazität und senkt die Resonanzfrequenz. Eine bessere Erdung bewirkt außerdem eine bessere Rückflussdämpfung. Die Festlegung der passenden Platte sorgt dafür, dass die PCB-Antenne bessere Leistungen erbringt.

PCB-Antennen-Design stellt Herausforderung dar

Teams, die PCB-Antennen mit hoher Leistungsfähigkeit designen wollen, sehen sich mit verschiedenen Herausforderungen konfrontiert. Manche Anwendungen benötigen mehrere Antennen sowohl auf Sender- als auch auf Empfängerseite, um die Leistung des Antennensystems zu verbessern. Allerdings kann es sein, dass Antennenelemente, die besonders nah beieinander liegen, miteinander durch gegenseitige Kopplung zu interagieren beginnen. Jede Reaktion zwischen den Elementen wirkt sich auf die Fähigkeit der Anordnung aus, eine gute Impedanzanpassung beizubehalten, und vergeudet Energie. Zusätzlich stört eine elektromagnetische Kopplung das Strahlungsmuster der Antenne, hemmt die Verstärkung und wirkt sich auf die Resonanzfrequenz aus.

Eine weitere Herausforderung beinhaltet den Effekt des Gehäuses auf die Sensibilität der Antenne. Oft hat der Kunststoff, der für das Gehäuse verwendet wird, eine höhere dielektrische Konstante als Luft. Der Mangel an ausreichenden Abständen zwischen der Antenne und dem Gehäuse führt dazu, dass die Antenne eine höhere effektive dielektrische Konstante wahrnimmt. Daraus folgt, dass die elektrische Länge der Antenne gesteigert wird und die Resonanzfrequenz abnimmt. Designteams sollten stets die Leistung des zur Antenne gehörenden Netzwerks mit dem finalen Kunststoffgehäuse und dem installierten Produkt in einem typischen Nutzungsszenario verifizieren.

Bei hohen Frequenzen ändert sich die Impedanz eines RF-Schaltkreises, wenn diese an unterschiedlichen Entfernungen von der Ladung gemessen wird. Die Breite und Dicke der RF-Leiterbahn, der Abstand zwischen der Leiterbahn und der Platte sowie der Substrattyp wirken sich ebenfalls auf die Höhe der Impedanzänderung aus. Bei einer PCB-Antenne fungieren Koaxialkabel, Mikrostreifen und komplanare Wellenleiter als Übertragungsleitungen. Zur üblichen Praxis gehört die Verwendung eines passiven Schaltkreises als passendes Netzwerk, um die charakteristische Impedanz der RF-Leiterbahn umzuwandeln und die maximale Leistungsübertragung zwischen passender Quelle und Ladungsimpedanzen zu gewährleisten.

Die Nutzung von Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen in Elektroprodukten, die PCB-Antennen verwenden, steigert das Risiko für eine elektromagnetische Störung und emittierte Strahlung. Das durch die Reduktion integrierte Schaltkreise verursachte SSO-Rauschen und gesteigerte Taktfrequenzen der Mikroprozessoren führen zu Blockierungen oder zu Signalen, die sich negativ auf das Signal-Rausch-Verhältnis auswirken und das von der Antenne gesendete Signal verzerren. Gleichermaßen kann die Antenne entlang seiner Übertragungslinien zu Blockierungen führen und Signale im ganzen PCB vermindern.

Was bietet eine gute Antennen-Design-Software?

Die Designsoftware für PCB-Antennen analysiert präzise die Filter, Mikrostreifen und passiven Komponenten, aus denen eine PCB-Antenne besteht. Die Software dient unterstützend beim Design der PCB-Antenne, indem metallisch-dielektrische Schichten, Eingaben und Anschlusstypen angezeigt werden. Um den modernen Designanforderungen zu entsprechen, stellt die Software für PCB-Antennen die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der Antenne zur Verfügung, um für optimale Leistungen zu sorgen. Durch die Festlegung dieser Eigenschaften kann die Software die korrekte Impedanz und Strahlungsmuster der Antenne formen.

Antennen-Design-Software: Analyse und Simulation sind nur Teile des Designprozesses

Antennen-Design-Software: Analyse und Simulation sind nur Teile des Designprozesses

Altium Designer löst PCB-Antennen Herausforderungen

Altium Designer stellt den Schaltplan-Editor, den PCB-Editor und Analysetools für die Signalintegrität zur Kontrolle und Anpassung nötiger Impedanzen für durchgehende Leistungen von PCB-Antennen zur Verfügung. Der Schaltplan-Editor und der PCB-Editor sorgen dafür, dass eine Impedanzanpassung vom ausgehenden Kontakt zum anvisierten eingehenden Kontakt stattfindet. Zusätzlich empfiehlt der Editor die Hinzunahme von Abschlusskomponenten, um für eine Kompatibilität im Schaltkreis und entkoppelten Kondensatoren oder Materialien zu sorgen, die benutzt werden, um eine gegenseitige Kopplung zwischen den Antennen zu verhindern. Designteams finden passende Komponenten zur Unterstützung des Designs von PCB-Antennen in Datenbankbibliotheken oder im Altium Center.

Analysetools für die Signalintegrität in Altium Designer identifizieren alle Netze, die für inakzeptables Zurückwerfen sorgen könnten. Die Tools sehen außerdem potenzielle Signalabbildung und Überlagerungen voraus und bieten gleichzeitig eine „Was wäre wenn“-Analyse potenzieller Abschlusskomponenten. Die Kombination aus Editoren, Designregeln und „Active Routing“ gewährleisten den korrekten Routingpfad für die Signale und sorgen dafür, dass ein ungebrochener Pfad für den Rückstrom unter der Signalroute vorliegt. Mit diesen Techniken verhindert Altium Designer EMI und bietet das beste Design für eine optimale Antennenleistung.

Während das Platzieren von Abschirmungen auf Uhren und Mikrocontrollern und das Wechseln von Netzteilen eine Lösung zur Verhinderung von EMI bietet, sorgt jede Abschirmung dafür, dass übertragene Signale blockiert werden. Die Antenne sollte davon nicht überdeckt werden. Altium Designer bietet Schutz vor Blockierungen mit einer Kombination aus Designregeln für das Routing und seiner Funktion „Active Routing“. Die ausgehenden Leiterbahnen von der Uhr sollten über die Grundplatte verlaufen, um alle durch vereinzelte RF-Felder induzierte Ströme zu reduzieren und Loopbereiche zu minimieren. Altium Designer hilft durch die optimale Platzierung von Grundplatten auch bei der Beseitigung von Netzantennen, die für Blockierungen sorgen. Alle direkt unter der Uhr platzierten Grundplatten ermöglichen die Bildung von Netzantennen.

Der Layer Stack Manager von Altium definiert die in einem PCB-Design verwendeten Schichten und verwaltet die in dem Stack vorhandenen Schichttypen. Beim Design einer PCB-Antenne können Teams den Layer Stack Manager nutzen, um jede Schicht für die jeweilige Art von Material, die Dicke und dielektrische Konstante zu spezifizieren. Altium Designer enthält außerdem die Option „Charakteristische impedanzbasierte Breite“ innerhalb der Designregel „Routingbreite“. Die Option wendet eine Standardgleichung der Branche an, um die Impedanz in eine Breiteneinstellung umzuwandeln.

Altium Designer bietet außerdem 3D PCB-Layout Tools, die es Teams ermöglichen, die Auswirkungen mechanischer Daten auf die PCB-Antenne zu erkennen. Designteams können das Komponentenmodell in den Bibliothekseditor und das Gehäuse in den PCB-Editor importieren, um eine präzise Kollisionsprüfung durchzuführen. Da Altium Designer die Zusammenarbeit zwischen ECAD und MCAD ermöglicht, können Teams auch mit externen materiellen Einschränkungen arbeiten und die passende Platinenform wählen. Mit diesen Tools erstellen Designteams die benötigten Anpassungen für Schaltkreise und Gehäuse, um sicherzustellen, dass der Kunststoff sich nicht auf die dielektrische Konstante auswirkt.

Altiums einheitliche Umgebung erleichtert das Design von PCB-Antennen

Während viele Software-Anwendungen für PCB-Antennen die nötigen Tools bereitstellen, bietet Altium Designer die Tools für den Schaltplan und PCB in einer Umgebung. Effektive Designtools wie der Layer Stack Manager und Analysetools zur Signalintegrität unterliegen den gleichen Menüs, Befehlen und Funktionstasten. Die vollständige Toolsuite in der einheitlichen Designumgebung von Altium verschiebt Konzepte vom Schaltplan zum PCB-Layout und weiter zur Designdokumentation sowie letztendlich zur Herstellung und Produktion.

Fühlen Sie sich bei Ihren Antennen-Designs sicher, egal worum es sich dabei handelt.

Fühlen Sie sich bei Ihren Antennen-Designs sicher, egal worum es sich dabei handelt.

Die innovative Antennen-Design-Software von Altium Designer hilft Ihnen bei der erfolgreichen Umsetzung Ihres potenziellen Designbedarfs. Sorgen Sie dafür, dass Ihre PCB auf akkurate und stabile Weise an die Produktion weitergeleitet werden können. Vertrauen Sie Altium Designer die Erstellung Ihrer Elektronik an.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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