Svenska ElektronikForumet

Jag behöver en aktiv GPS antenn och en GSM antenn på ett kretskort som jag ska göra. Jag vill inte köpa in färdiga "stora" antenner utan skulle vilja lösa det på kretskortnivå typ som på mobiltelefoner.

Det är givetvis inte lätt att cadda egna antenner så nu undrar jag vad som är smidigaste sättet att lösa detta?

Kan man ta färdiga PCB footprints eller ska man leta efter chipmonternade antenner?

Finns det några program för antenn design som inte kostar multum?

Med antenn som utgör en del av ett PCB innehållandes annan elektronik förmodarar jag att du avser en monopol-struktur då det möjliggör rätt små antenner.
Monopol-antenner finns inte. Det är ett uttryck som används när den ena polen som struktur är speglad i jordplanet.
Beräkningen av monopol-struktur är rätt enkel, under förutsättning att jordplanet är idealt och oändligt stort så duger en 0,25 våglängders lång pinne som resonant antenn.
Om det aktuella kretskortet inte är oändligt stort, eller inte ens har elektriska längden 0.25 våglängder eller multipel på 0.5 våglängder av detta så måste man kunna helst både beräkna/simulera i t.ex HFSS samt kunna mäta/fintrimma resultatet mha nätverksanalysator.
För radio som arbetar på endast en enda frekvens kan man ta vissa genvägar.
Först måste man välja antenntyp efgter hur bra antenn man vill ha. Som till en regel så är effektivare antenner större samt mindre komplicerade att få till att fungera. Små antenner spar utrymme men minsta feldesignade och antenn blir måttligt effektiv.
Här är en enkel översikt av olika antenn-typer man kan ha på PCB: http://www.ti.com/lit/an/swra161b/swra161b.pdf På TI finns även Gerber-filer och förslag på matchningsnät för radio-kretsar från TI.
Keramiska antenner är färdig-designade, men där ingår i konceptet att hålla rätt på jordplanets impedans och matcha efter detta. Samma här, för enkel-frekvenser brukar finnas till antennens data-blad förslag på grund-matchning, vanligen ett PI-nät.

Något enklare är att göra fullstora dipol-antenner, vilket också kan göras på kretskort. Måtten är inte så kritiska jämfört med mindre strukturer. För 900 MHz är en PCB-dipol på FR4 ca 100 mm lång och bör ha 30-40 mm fritt till närmsta jordplan.
För GSM behöver du även få antennen resonant på 1800 MHz men det går enkelt att addera den strukturen på samma sätt som när man gör logperiodiska antenner på PCB, dvs det är bara att stacka på en omgång till av dipol för 1800 MHz.
Ska man göra GPS-antenn så tillkommer att man vill se till att den får rätt polarisation för bästa positions-exakthet samt att fel polarisation kostar försämrad mottagen signal.
Den typ av multibands-antenner som finns i mobil-telefoner är alltid unika för just den telefonen då jordplan och annat i antennens närfält avgör designen. Det går inte låna designen från en telefon till en annan och tro sig få bra prestanda.
Ny design kräver simuleringar och mätningar för att få till rätt TIS/TRP/SAR. Tiden rör sej om minst veckor i välutrustat lab.

Kräver man inte denna minsta antennen, samt har lite mer gott om jordplans-fritt utrymme finns en typ av GSM-antenner som är eget PCB och 10-15 cm koaxialkabel som ska anslutas till det egna kretskortet. Kabeln bör var hyggligt utsträckt och antenn-PCB't ska placeras på t.ex. en plast-vägg. Kabeln är i detta fallet en bit av antennen så därför bör man hålla den hyggligt utsträckt och fri från andra kablar eller jord.

Det finns en hel del antenn-typer som inte är nämnda. Vilken typ som passar bäst är ofta en kompromiss mellan effektivitet/storlek/bandbredd. Vill man ändra en av dessa parametrar så blir det alltid på bekostnad av någon av de andra om designen är rätt utförd.
En god start är att sätta upp egna krav på effektivitet/storlek/bandbredd med hänsyn till hur egna jordplanets-situationen ser ut. Total jordyta, handhållen eller fast monterad elektronik, närheten av annan metall, krav på rundstrålning, fri sikt till annan antenn, krav på räckvidd är parametrar som är viktiga. För hanhållet brukar tillkomma att man önskar bra batterlivslängd. En ineffektiv GSM-antenn kostar mer effekt att driva för samma räckvidd vilket kräver större/tyngre batteri. En liten och ineffektiv antenn kan resultera i en totalt större och tyngre enhet för en viss prestanda-nivå.

Många av de större företagen som designar inbyggda multibands-antenner har även en del keramiska/PIFA/PCB-mönster som halvfabrikat och även den typ antenner som är placerade på eget PCB. Det går ibland plocka ut måtten ur databladen som finns på deras web-platser. Om man inte kräver bästa prestanda så kan det duga. Planka design är ok för personligt bruk enligt mej. Följ även min signatur-länk nedan där det finns en del tips hur man matchar PCB-antenner och har du mätresurser finns där ett intressant beräkningsprogram som helautomatiserar hela beräkningsbiten. Det är gratis och fullt fungerande "prova på". För EM-simuleringar har CST, HFSS och FEKO ofta billiga eller gratis men något begränsade student-versioner men skarpa verisoner är oftast mycket dyra. Års-licenser på 100kkr eller mer.

Intressant inlägg

wp: Computer Simulation Technology
https://www.cst.com/

https://en.wikipedia.org/wiki/HFSS
http://www.ansys.com/Products/Simulatio ... ANSYS+HFSS
https://anlage.umd.edu/HFSSv10UserGuide.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/FEKO
https://www.feko.info/

Försökte en gång att få studentversion av HFSS men det gick inte. Är det någon som har lyckats med den bedriften?

Nu vet jag inte hur bra de är men det finns "Antenna Chip-Scale" typ https://www.sparkfun.com/products/9131, de är små i alla fall

Dessa små keramantenner är inte så mycket antenner i sej själva, de fungerar mer som en impedansmässig motvikt till jordplanet. Det är jordplanets egenskaper tillsammans med matchningen av antennen som avgör hur bra resultatet blir. Det finns keramantenner för GPS som är betydligt mindre, typ 0603, vilket kan ha sin plats om man har extremt ont om utrymme, såsom i GPS-armbands-ur, men de är inte lätta att designa för god funktion. På något större kretskort kan det bli bättre resultat med att bara avstämma en bit PCB-mönster, som då kan läggas på utrymme som annars inte använts.
Se demo via min signaturlänk, där en 8*1 mm 2.4GHz antenn designas som en bit av kopparmönstret, med hyggligt resultat.

Bra svar, framförallt från E Kafeman.

Dessvärre verkar det vara som jag trodde, att hitta en liten kretskortmonterad antenn som fungerar rakt av med bra prestanda går inte...

Funderar på denna
https://www.sparkfun.com/products/177
eller något liknande

Fungerar en GPS antenn i 0603-storlek (6x3 mm?) som en ferritantenn för mellanvåg? De kan ju inte vara kilometerlånga och rymmas i en apparatlåda. Så problemet är åt samma håll.

Inte enkelt att ge en korrekt beskrivning av dessa små keramantenners funktion, jämfört med t.ex. en elektrisk dipol som är enklare att beskriva, men generellt, ju mindre keram, desto mer är den en resonator som med lämplig impedansmatchning kan använda jordplanet som antenn. Liknande funktion finns i keramiska SAW-filter. Den är således inte så mycket antenn i sej själv. Ju större keram, ju mer är den antenn.
Keram-materialet finns i många varianter och är egentligen bara mellanrummet mellan två metallytor, ungefär som en kondensator. Utfomningen av metallytorna är väsentlig för eventuella antennegenskaper.

Ferrit-antenn typ de man finner i gammal kortvågs-radio är en loop-antenn där ferritmaterialet ökar loopens induktans och gör loopen något effektivare som magnetisk antenn. Man måste välja ferrit-material med omsorg då förutom att den påverkar avstämd resonansfrekvens även påverkar mottagarens selektivitet. Fel typ av ferrit och ferriten fungerar mer som ett motstånd som bromsar antennsignalen. Denna bromsande egenskap är bra vid de tillfällen då man medvetet vill absorbera elektriska störningar.
Ferriten har alltså en resistiv motstånds-egenskap och en induktiv egenskap som båda har maxegenskaper vid en frekvens, som kan vara olika för induktiva resp. resistiva egenskapen. Genom att blanda in olika exotiska oxider kan man justera vid vilket frekvensområde som den är mest effektiv, upp till flera GHz.

Keramisk antenn av den typ Sparkfun säljer är bra som GPS-antenn, då dess strålningsdiagram passar för GPS-ändamål och det är lätt att designa den för cirkulär polarisation. Med integrerad LNA så bör antennen ha en god impedansmatchning mot LNA'n, så man slipper tänka på det. Bra jordplan är fortfarande ingen nackdel.
Tyvärr så tillverkas det en hel del skräp även här som för annan elektronik, dåligt tunad, dåligt resonant keram, LNA med högt brus eller utan bandpass-filter, vilket gör att den bottnar i förstärkaren när en mobiltelefon kommer i närheten.
Om den antennen Sparkfun säljer är bra vet jag inget om, trots databald. Priset gör att man ha råd att testa.
Just för GPS är det enkelt att göra en grundläggande jämförelse mellan antenner, köp några olika varianter och rada upp dom för jämförande test på vem som låser flest satelliter snabbast i en aktuell aplikation, dvs monterad på aktuellt PCB inklusive eventuell apparatlåda.

Alla i Sparkfun's kommentarsfält är inte helt nöjda, men i 9 av 10 fall beror det på att antennen används på ett sådant sätt att den inte kan fungera fullt ut, oavsett hur bra antenn-designen är. Stuvar man in antennen i en låda av RF-absorberande plast, obetydligt RF-mässigt jordplan, samt genar med några kopplingskablar tvärs över antennen, så betyder det rätt mycket för den totala prestandan.

Ett enkelt tips, angående plastlådor. Alla plastlådor absorberar rf-energi och kan missavstämma antennens centerfrekvens. Oftast är effekten marginell men vanligaste anledningen till att lådan absorberar alltför mycket signal beror att det färgämne som färgar plasten innehåller kol. Detta gäller i synnerhet svart-färgade lådor men det finns även svarta lådor med obetydlig kol-inblandning. För att testa om lådan absorberar radio-signal, fyll ett glas med vatten och ställ in i mikron en minut, tillsammans med den tomma plastlådan. Blir plasten märkbart ljummen efter en minut, välj en annan låda om man tänkt gömma en GPS-antenn i den.

Hur vet man om lådan är RF-transparent utan mikrovågstestet? lite svårt att testa det över en webshop.

Säljaren på webshopen vet inte ens vilken plast-sort lådan är gjord av. Köp och testa.

Får väl undvika svart färg då

Undvika svart färg är ingen garanti. All plast, färgad eller inte har viss påverkan genom sin dielektrisitetskonstant.
Det är dessutom inte bara kol att se upp med. T.ex. hölje lackerat med färg med metallpartiklar i, typ silverfärg, kan också påverka på liknande sätt, men kan också kollas i mikrougnen på samma sätt.