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Was ist eine PCB-Antenne? Alles was du wissen musst

Eine PCB-Antenne sitzt auf der Platine selbst und erfordert keine externen Teile. Dadurch bietet es unter anderem Kosten- und Platzeinsparungen. Lesen Sie mehr darüber in diesem umfassenden Leitfaden und erfahren Sie, warum es eine ausgezeichnete Wahl für HF-Kommunikationssysteme ist. Zu den Themen, die wir besprechen werden, gehören:

  • Was ist das und wie funktioniert es?
  • Gemeinsame Anwendungen
  • Seine verschiedenen Arten
  • Und die Schritte zum Entwerfen eines solchen

Was ist eine PCB-Antenne?

Dabei handelt es sich um eine Art Antenne, die auf einer Leiterplatte angebracht ist. Es verwendet Leiterbahnen als leitende Elemente. Mit anderen Worten: Es ist ein Teil der Leiterplatte und nicht extern angeschlossen.

Bei Verwendung mit einem HF-Schaltkreis hilft es beim Drehen Radiowellen in kleine Impulse eines elektrischen Stroms. Es kann auch als Sender fungieren und einen entgegengesetzten Zweck erfüllen.

Die Herstellung direkt auf der Platine bietet mehrere Vorteile, darunter geringere Kosten und einfache Integration. Es findet hilfreiche Anwendungen in elektronischen Geräten mit drahtloser Kommunikation für verschiedene Frequenzbänder, einschließlich Mobilfunk, Wi-Fi und Bluetooth.

So funktioniert eine PCB-Antenne

Eine auf einer Leiterplatte gedruckte Antenne hilft beim Senden oder Empfangen von Hochfrequenzen elektromagnetische Wellen. Es arbeitet mit einer Hochfrequenzschaltung, um die Energie von HF-Wellen in elektrische Signale umzuwandeln und umgekehrt. Hier ist die Funktionsweise im Detail:

Übertragung: Der HF-Schaltkreis sendet eine variierende elektrische Ladung an die Antenne. Die Ladung erzeugt eine elektromagnetische Welle, die in den Weltraum strahlt und das übertragene Signal überträgt.

Rezeption: Das elektromagnetische Feld induziert eine Ladung in der Antenne und erzeugt eine schwankende Ladung Strom und Spannung. Der HF-Schaltkreis dekodiert es, um das übertragene Signal zu trennen oder zu extrahieren.

Die Wellenabstrahlung variiert je nach Bauart. Typischerweise ist es direktional, halbdirektional oder omnidirektional. Hier erfahren Sie, was das bedeutet.

  • Ein Richtungstyp hat nur eine Richtung
  • Der halbdirektionale Typ hat einen definierten Signalausbreitungswinkel
  • Andererseits kann der omnidirektionale Typ Signale in alle Richtungen senden.
5G PCB-Antenne
5G PCB-Antenne
Ressource: https://www.microwavejournal.com

PCB-Antennenanwendungen

Zu den Anwendungen, bei denen die Integration einer Antenne auf einer Leiterplatte notwendig – und von Vorteil – ist, gehören die unten aufgeführten.

  • Drahtlose Kommunikationssysteme: Beispiele hierfür sind die 3G- und 4G-PCB-Antennen für die Mobilfunkkommunikation über große Entfernungen sowie Wi-Fi- oder Bluetooth-Typen für die Kommunikation über kurze Entfernungen.
  • Automobilsysteme: Fahrzeug GPS-Systeme und andere drahtlose Anwendungen wie der schlüssellose Zugang nutzen es zum Senden und Empfangen von Signalen.
  • RFID: Die Funkwellen verschiedener RF-Identifikations- und Trackingsysteme und -geräte nutzen kompakte Antennen, die auf Leiterplatten gefertigt sind.
  • Medizinische Geräte: Eine Reihe medizinischer Überwachungsgeräte, darunter auch tragbare Geräte, nutzen es zum Senden und Empfangen von Kommunikationswellen

Vorteile der PCB-Antenne

Eine interne PCB-Antenne ist eine beliebte Option bei der Herstellung drahtloser elektronischer Systeme und Geräte. Diese Vorteile bietet die Integration.

  • Kosten: Sie benötigen für die Herstellung keine zusätzlichen Materialien oder Teile, da Leiterbahnen und Schaltkreise auf Leiterplatten verwendet werden. Das senkt die Kosten für die Herstellung Ihres drahtlosen Kommunikationsgeräts.
  • Größe: Sie nehmen nur wenig Platz ein und sind daher eine hervorragende Option für kompakte Handgeräte wie Mobiltelefone oder tragbare Überwachungsgeräte.
  • Herstellbarkeit: Es erfordert weniger Materialien für die Platzierung auf einer Leiterplatte, was es zu einer bevorzugten Option für viele drahtlose Systeme macht.

Leiterplattenantennen haben einige Nachteile. Ihre Kompaktheit kann ihre einschränken Bandbreite und ihre Effizienz verringern. Sie sind auch anfälliger für Umwelteinflüsse.

PCB-Antennentypen und -designs
PCB-Antennentypen und -designs
Ressource: https://www.researchgate.net

Arten von PCB-Antennen

Sie können die verschiedenen Arten von PCB-Antennen anhand ihrer Designmerkmale oder Strukturen unterscheiden. Vor diesem Hintergrund haben wir diese verschiedenen Designs.

PCB-Monopolantenne

Es gibt nur ein leitendes Element: einen einzelnen und geraden Abschnitt der Leiterbahn. Diese Typen sind einfach herzustellen, kompakt und kostengünstig herzustellen und auf einer Leiterplatte zu platzieren. Sie bieten eine 360-Grad-Abdeckung.

PCB-Dipolantenne

Im Gegensatz zum Monopoltyp verfügt es über zwei gleich lange leitende Elemente. Es bietet ein bidirektionales Strahlungsmuster und ist somit eine schmalbandige Version.

PCB-Patchantenne

Es sieht aus wie ein Patch auf der Leiterplatte und kann verschiedene Formen haben, darunter rechteckig, quadratisch und rund. Obwohl es relativ groß ist, bietet es mehrere Vorteile, wie zum Beispiel eine hohe Verstärkung.

PCB-Rahmenantenne

Es verwendet Leiter, die eine Schleifenform bilden, wobei an beiden Enden Empfänger- und Senderanschlüsse angeschlossen sind. Dieses Design hat eine geringere Effizienz als die meisten anderen Typen, ist aber eines der am einfachsten zu entwerfenden oder zu verwendenden.

PCB-Wendelantenne

Es verwendet ein helixförmiges Leitelement. Der spiralförmige Leiter bietet mehrere Vorteile, einer davon ist die Platzersparnis. Das Design macht es auch zu einem Richttyp mit hoher Verstärkung, aber schmaler Bandbreite.

PCB-Slot-Antenne

Das leitfähige Material (Spur) ist geschlitzt. Dieses Design erzeugt einen Resonator, der strahlt elektromagnetischer Energie wenn es mit einem HF-Signal versorgt wird. Das Gleiche passiert, wenn HF-Wellen darauf treffen.

PCB-Yagi-Antenne

Der Yagi verwendet ein angetriebenes Element, beispielsweise einen Dipolempfänger, zwischen einem Signalreflektor und einem oder mehreren Signaldirektoren. Sie hat einen hohen Gewinn, benötigt aber mehr Platz als die meisten anderen PCB-Antennentypen.

Planare invertierte F-Antenne

Wie der Name schon sagt, sieht es aus wie ein umgedrehtes F auf der Platine. Es handelt sich um ein omnidirektionales Gerät mit hoher Effizienz und geringerem Platzbedarf. Es ist in Mobil- oder Handheld-Geräten wie Smartphones und Tablets beliebt.

Mäanderleitungsantenne

Das leitfähige Element faltet sich hin und her, wodurch eine mäanderförmige Struktur entsteht, die die Gesamtlänge erheblich verkürzt. Obwohl es kompakter ist, stellt es eine Herausforderung hinsichtlich des Strahlungsmusters und mehrerer anderer Eigenschaften dar.

Entwurf einer PCB-GSM-Antenne
Entwurf einer PCB-GSM-Antenne
Ressource: https://forum.arduino.cc

So entwerfen Sie eine PCB-Antenne

Das PCB-Antennendesign umfasst die folgenden Hauptschritte:

  • Angabe seines Typs
  • Berechnung der Größe
  • Ermittlung der elektrischen Anforderungen,
  • Erstellen der Schaltpläne und des Layouts
  • Und schließlich das Ausführen von Simulationen.

Antennentyp und Platinenmaterial

Bestimmen Sie das gewünschte Design oder die gewünschte Struktur. Es gibt viele Möglichkeiten. Sie reichen von Monopol- bis Dipolstrukturen und mehr. Ihre Wahl hängt vom gewünschten Strahlungsmuster und der gewünschten Bandbreite oder den Frequenz- und Größenbeschränkungen ab.

Bestimmen Sie das Plattenmaterial. Ihre Optionen umfassen FR4 und Metalle und hängen von den folgenden Faktoren ab: erforderliche elektrische Eigenschaften, Anforderungen an mechanische Eigenschaften und Kosten.

Antennengröße

Dieser Schritt erfordert einige Berechnungen, um die folgenden Spezifikationen zu ermitteln: Antennenhöhe, -breite und -länge. Hier gehen wir davon aus, dass das Leiterplattenmaterial (Substrat) FR4 ist.

Um die Substrathöhe zu berechnen, verwenden Sie diese Formel, wobei C für die Lichtgeschwindigkeit in m/s und Σr für die Lichtgeschwindigkeit in m/s steht Dielektrizitätskonstante des Untergrundes.

Für die Spurbreite ist hier die zu verwendende Formel. Auch hier ist Σr die Dielektrizitätskonstante des Materials.

Verwenden Sie abschließend diese Formel, um die Spurlänge zu bestimmen. Hier stellt Σff die effektive Permittivität dar und ΔL die physikalische Länge.

Die folgende Formel gibt Ihnen das Verhältnis von Breite zu Tiefe des Mikrostreifens an. In der Formel bedeutet „W“ die Leiterbahnbreite, während „A“ die effektive Fläche bedeutet.

Electrical Requirements (ENG)

Ihre HF-Schaltung unterliegt je nach Endanwendung oder Umgebung unterschiedlichen Einschränkungen. Geben Sie zunächst Folgendes an: Betriebsfrequenz und Strahlungsmuster, Polarisation, Impedanz, usw.

Schaltpläne und Layout

Erstellen Sie die Schaltpläne mit einem Designprogramm. Dieser Teil umfasst auch die Erstellung des physischen Layouts. Wenn die Komponenten angeordnet und die Verbindungen hergestellt sind, können Sie es ausführen, um seinen Betrieb vorherzusagen.

Entwurfssimulation

Sobald alle Anforderungen vorliegen und der Entwurf gelesen ist, führen Sie ihn mit einem Simulationsprogramm aus. Simulationen helfen Ihnen, Fehler im Design vor der Prototypenerstellung oder der endgültigen Produktion zu erkennen. Sie können verschiedene Simulationsprogramme verwenden, darunter ANSYS, CST Studio und HFSS.

4G-PCB-Antennendesign
4G-PCB-Antennendesign
Ressource: https://www.youtube.com/watch?v=m0B-63Q-R_8

Überlegungen zum PCB-Design

Das Entwerfen einer Leiterplatte erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung verschiedener Parameter, andernfalls funktioniert sie möglicherweise nicht effizient. Berücksichtigen Sie diese Faktoren, um es für die Signalübertragung oder den Signalempfang zu optimieren.

Position

Normalerweise können Sie es an einer beliebigen Stelle auf der Tafel platzieren. Es kommt auf die Anwendung an. Ecken sind jedoch die idealsten Positionen. Bei Platzierung in einer Ecke verfügt es über bis zu fünf Sende- und Empfangsrichtungen und ist dadurch effektiver.

Größe und Gewicht

Leiterplattenantennen sind leicht und klein. Stellen Sie je nach Verwendungszweck des Boards sicher, dass Ihr Board die akzeptablen Grenzwerte für Größe und Gewicht nicht überschreitet, insbesondere wenn Sie es für ein tragbares oder tragbares Gerät entwerfen.

Grundebene

Die Grundplatte richtig dimensionieren. Machen Sie es ausreichend groß. Eine falsch platzierte Erdung beeinflusst das Strahlungsmuster und führt zu einer Ineffizienz des gesamten HF-Schaltkreises.

Komponentenfreigabe

Halten Sie Bauteile fern. Sie verursachen Störungen und beeinträchtigen die Signalübertragung oder den Signalempfang. Diese beinhalten elektronische Geräte und Befestigungsschrauben und andere Metallteile.

Übertragungsleitung

Die Übertragungsleitung ist der leitende Pfad, der das HF-Signal zum Empfangskreis überträgt. Machen Sie es gerade, um eine Signalverschlechterung zu vermeiden.

Chipantenne vs. PCB-Antenne
Chipantenne vs. PCB-Antenne
Ressource: https://www.youtube.com/watch?v=ZVo2RkBS14o

PCB-Antenne vs. Chip-Antenne

Eine Leiterplattenantenne ist mithilfe von Leiterbahnen auf die Platine gedruckt. Bei einem Chiptyp wird ein dielektrisches Material zwischen zwei leitenden Teilen platziert. Neben den strukturellen und gestalterischen Unterschieden unterscheiden sich die beiden Modelle auch durch die folgenden Merkmale.

Ein gedruckter Typ nimmt mehr Platz ein als ein Chiptyp, kostet aber weniger. Es erzeugt auch stärkere Signale und unterstützt a höhere Bandbreite. Es ist jedoch anfälliger für Umwelteinflüsse wie Störungen.

Der Chiptyp ist kompakter und einfacher zu modifizieren. Auch Umweltfaktoren wirken sich weniger darauf aus. Der Nachteil ist, dass es teurer ist, eine lange Signalstärke und einen begrenzten Frequenzbereich hat.

Zusammenfassung

Die PCB-Antenne ist heute einer der beliebtesten Typen. Es ist einfach zu implementieren, anpassbar und in vielen Designoptionen verfügbar. Viele Leiterplatten drahtloser Kommunikationsgeräte verwenden es, von Mobiltelefonplatinen bis hin zu GPS- und anderen IoT-Systemen.

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