Funkkommunikation HF-Layout der Leiterplatte optimieren

Eine Wireless-Stufe in einem Mikrocontroller zu integrieren, ist für vernetzte Geräte und Anwendungen im IoT entscheidend. Doch die HF-Leistung eines solchen Geräts hängt vor allem vom Design und Layout der externen HF-Komponenten auf der Leiterplatte ab. Im Folgenden einige nützliche Tipps.

Krisztián Kovács, Senior Director Applications Engineering für drahtlose IoT-Produkte, Silicon Labs.

Ob es sich um die Bluetooth-Verbindung zwischen einem Wearable und einem Smartphone handelt, oder um eine Smart-Home-Anwendung, die ZigBee oder Thread als Kommunikationsprotokoll nutzt – die zugrunde liegende Technik nutzt hochfrequente Funksignale mit Frequenzen bis 2,4 GHz. Um die Leistungsfähigkeit so einer Funkverbindung zu maximieren, ist dem HF-Schaltkreisdesign und dem Leiterplattenlayout besondere Aufmerksamkeit zu widmen.

HF-Designs können eine Herausforderung sein, da sich die gewünschten Funksignale gerne in der Nähe unerwünschter hochfrequenter Signale befinden, z. B. dem MCU-Takt oder Signalen, die Schaltnetzteile emittieren. Dies hat zur Folge, dass die Reichweite eines schlechten Designs reduziert wird oder eine höhere Sendeleistung erforderlich ist, um dies zu kompensieren. Damit verkürzt sich die Batterielebensdauer tragbarer Geräte. Signale hoher Sendeleistung können zu Störsignalen führen, die Störungen in anderen Geräten verursachen und bewirken, dass Standards oder gesetzliche Bestimmungen nicht eingehalten werden.
Daher ist es hilfreich die Designpraktiken für eine wirksame Funkkommunikation zu verstehen, wie das Schaltkreislayout diese Vorgaben beeinflusst und wie sich die maximale HF-Leistung mithilfe bewährter Vorgehensweisen aus einem Design herausholen lässt. Als Beispiel nehmen wir den SoC-Baustein »EFR32 Wireless Gecko« von Silicon Labs.

Einflussfaktoren für die Funkleistung

Die HF-Leistung eines funkbasierten Geräts hängt vor allem vom Design und Layout des HF-Teils auf der Leiterplatte (PCB) ab. Die Position der HF-Komponenten im Anpassungsnetzwerk kann hinsichtlich ihrer Orientierung und Trennung zu anderen Bauteilen die Einkopplung unerwünschter Signale erheblich begünstigen. Das Routing und die Abmessungen der HF-Leiterbahnen können ebenso wichtig sein wie die Wahl der Antenne. Hinzu kommen Faktoren wie die Größe der Masseflächen, das Routing nicht-HF-bezogener Leiterbahnen (vor allem der Versorgungsleitungen) und die Beschaffenheit der Leiterplatte, z. B. deren Dicke, dielektrische Konstante und die Anzahl der Lagen. Alles zusammen beeinflusst das Gesamtdesign. Andere Bauteile auf dem Board, darunter die MCU-Taktschaltkreise und Leistungswandler, können Störsignale im HF-Spektrum erzeugen und die Empfindlichkeit verschlechtern. Deshalb sind geeignete Filter erforderlich, um die von diesen Störquellen stammenden HF-Signale zu isolieren und daran zu hindern, in den HF-Pfad einzudringen.

Um diese Filterung besser zu verstehen, sind zuerst die HF-Schaltkreisfunktionen näher zu betrachten. Die Funkeinheit innerhalb des ICs besteht aus einem Sender und Empfänger. Das Ziel des Senders (Tx) ist es, möglichst viel gewünschte Signalanteile in die Antenne einzuspeisen. Die Impedanztransformation zwischen dem HF-IC und der Last zielt darauf ab, die abgestrahlte Leistung bei der Fundamentalfrequenz zu maximieren und jegliche Verluste zur minimieren, die durch Harmonische und andere Störfrequenzen entstehen. Dies erfolgt durch ein kombiniertes Anpassungs- und Filternetzwerk, das aus Serieninduktivitäten und Parallelkondensatoren besteht. Bei einem Sendebetrieb mit 2,4 GHz und Leistungspegeln über 13 dBm wird ein Anpassungsnetzwerk mit vier Elementen empfohlen (Bild 1). Bei dem Betrieb mit niedriger Leistung genügt ein LC-Netzwerk mit zwei Elementen. Im Empfangsmodus verwendet der Empfänger (Rx) das gleiche Impedanzanpassungsnetzwerk, um maximale Empfindlichkeit zu erzielen.