Bluetooth-Platine: Auswahl der richtigen Bluetooth-Antenne für Ihr PCB-Design

Haben Sie jemals Ihre Wireless-Nutzung beobachtet? Die Entwicklung von Bluetooth-Platinen haben erheblich zur Verbreitung von Bluetooth-fähiger Elektronik beigetragen. Zum Beispiel streame ich damit Musik von meinem Telefon auf meine drahtlosen Kopfhörer. Später springe ich in mein Auto und nehme Telefonanrufe über mein Hands-Free Board Computer entgegen. Zu Hause angekommen, frage ich meinen Home Assistenten nach der Wettervorhersage, spreche mit ihm die Essenszeiten durch, während er mir meine Schuhe auszieht und meinen Nacken massiert ... Ähm, ich bin wohl etwas zu voreilig. 

Bluetooth-fähige Geräte haben eine Unmenge von Anwendungen: vom Gesundheitswesen über das Internet der Dinge bis hin zu Unterhaltung und VR. Entwickler haben viele kreative Wege, Bluetooth-Antennen in ihre Platine einzubauen. Maßgeschneiderte Antennen werden immer beliebter, und Chip-Antennen sind derzeit zu unglaublich niedrigen Kosten erhältlich. Was hält Sie also davon noch ab, sich in Ihr eigenes Bluetooth-Projekt zu stürzen?

Grenzen Sie Ihre Geräteanforderungen für die Bluetooth-Platinen ein

Selbst wenn Sie noch keine Erfahrung im HF-Design gesammelt haben, müssen Sie lernen, wie ein HF-Designer zu denken. Der erste Schritt bei der Auswahl für eine Bluetooth-Platine besteht darin, die funktionellen Anforderungen Ihres Geräts genau zu bestimmen. Stellen Sie sich dabei folgende Fragen:

• Ist Ihr Produkt flexibel oder tragbar?
• Welche Formfaktorbeschränkungen gibt es?
• Ist Ihr Produkt auf Metall montiert oder in Metall gehaust?
• Was ist Ihre erforderliche Kommunikationsreichweite?

Wenn Sie Ihre Anforderungen anhand dieser Fragen eingrenzen, sind Sie der richtigen Auswahl für Ihre Bluetooth-Platine schon einen Schritt näher.

Handelt es sich um ein Wearable, ist Platz sicherlich Mangelware, und eine Microstrip- oder Chip-Variante ist wünschenswert. Wenn Sie über große Entfernungen kommunizieren müssen, dürfte eine Metallplatten-Antenne die beste Wahl sein. Durch die Optimierung Ihres Funktionsumfangs entlang dieses oben genannten Rahmens können Sie sicherstellen, dass Sie die für Ihr Gerät geeignetste Option finden.

Keramik-Chip-Variante für Bluetooth-Platinen

Diese Variante hat einen sehr kleinen Formfaktor zulasten eines geringen Gewinns und Wirkungsgrades. Aufgrund der moderaten Bandbreite (und Kosten) sind sie möglicherweise nicht die beste Option für Anwendungen wie Entfernungsmessung oder Standortverfolgung. Diese Chips sind für Bluetooth-Platinen in starren, tragbaren Geräten wünschenswert, die typischerweise in Anwendungen mit geringer Reichweite arbeiten.

Eine ganze Reihe von Herstellern produzieren die unterschiedlichsten Chip-Vairanten. Dadurch haben Entwickler für ihr Bluetooth-kompatibles Gerät eine breite Auswahl bzgl. passender Bandbreite, Gewinn und Formfaktor.

Die Platzierung einer Chip-Antenne auf einer Leiterplatte ist ebenfalls recht einfach und bedarf nur weniger Designregeln und Simulationen. Der Chip sollte nicht über einer Massefläche platziert werden, um EMI-Störanfälligkeiten zu vermeiden. Alle Signalleitungen, insbesondere Leitungen mit Durchkontaktierungen, müssen mit einem LC-Netzwerk Impedanz-angepasst werden. Dies reduziert die Einfügedämpfung und verhindert Signalreflexionen.

Metallplatten-Antennen

Diese haben einen hohen Wirkungsgrad, einen hohen linearen Gewinn und eignen sich sowohl für große Sendeleistungen als auch für niedrige Bandbreiten. Jedoch sind sie kostspielig und haben einen hohen Platzbedarf. Für Bluetooth-Platinen, die kleinere Formfaktoren erfordern, sind sie deshalb eher ungeeignet. Sie sind linear polarisiert und können als Monopol-, Dipol- oder Inverted-F-Antenne ausgelegt werden.

Wie der Name schon sagt: Sie bestehen aus einer Metallplatte, in die eine bestimmte Kontur geschnitten wird. Eine Metallplatten-Antenne ist nicht direkt auf der Leiterplatte angebracht. Vielmehr wird sie mit ihrem Haltewinkel über der Leiterplatte montiert, wobei der Antennenwinkel mit der übrigen Elektronik verbindet. Der Bereich unter der Antenne sollte frei von Masseflächen, Stromversorgungsflächen bzw. anderen Bauteilen bleiben.

Die Metallplatten-Variante wird an einer Kante der Leiterplatte platziert, meist in einer Ecke der Platine. So seltsam es klingen mag, der Kantenabstand bestimmt, neben der Geometrie der Metallplatte selbst, auch die Resonanzfrequenz. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen Platine und Antennenrand erhöht die Resonanzfrequenz und die Bandbreite.

Microstrip- oder auch Panel-Antennen

Wenn Ihr Formfaktor keine Platten-Variante zulässt und der Kostendruck hoch ist, können Sie sich für eine Microstrip-Variante direkt auf der Leiterplatte entscheiden. Diese haben einen besseren linearen Gewinn und Wirkungsgrad als eine Chip Neben einer höheren Bandbreite im Vergleich zur Platten-Antenne, sind sie einfacher herzustellen, da sie direkt auf die Leiterplatte gedruckt werden.

Der Entwurf einer Bluetooth-Platinen mit Microstrip-Variante erfordert ein präzise designtes Leiterbild. Geringe Abweichungen in den Abmessungen des Mikrostreifens können die Resonanzfrequenz verändern. Dies führt bei größeren Resonanzverschiebungen zu einer Abnahme des linearen Gewinns und Wirkungsgrades bei 2,4 GHz und damit zu einer Verringerung der Übertragungsreichweite. Ihr Hersteller muss in der Lage sein, die engen Toleranzen zu fertigen.

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Verschiedene Mikrostreifen-Geometrien können für den Aufbau von Bluetooth-Platinen verwendet werden. L-förmige, invertierte F- und bogenförmige Antennen sind allesamt beliebte Designs. Diese 2,4 GHz Optionen sind linear polarisiert und haben kleinere Formfaktoren als eine Platten-Antenne.

Ein beliebtes Bluetooth-Design für zirkulare Polarisation hat eine rautenförmige plattenartige Form. Sie hat einen größeren Formfaktor auf der Leiterplatte und erfordert ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk, bietet aber eine bessere Empfindlichkeit gegenüber linear polarisierter HF-Strahlung. Um die Resonanzfrequenz richtig einzustellen, müssen auch die Abmessungen der Mikrostreifen an die Dielektrizitätskonstante des Substrats angepasst werden. 

Die Verwendung eines PCB-Substrats mit einer höheren Dielektrizitätskonstante ermöglicht kleinere Schaltungskonturen und erlaubt eine geringere Größe für eine bestimmte Betriebsfrequenz. Die Auswahl von Substrat- und Mikrostreifenmaterialien mit passenden volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten ist wichtig für Baugruppen, die über einen breiten Temperaturbereich eingesetzt werden sollen, da dies dazu beiträgt, Bruch und Delamination zu verhindern.

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