Drahtlose Schnittstellen entwickeln

WiFi ist kein Hexenwerk

30. November 2021, 13:24 Uhr | Von Dr.-Ing. Heinz Zenkner, Würth Elektronik
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Im IIoT ist die Anbindung von Geräten per WiFi beliebt – doch wie lernt ein Gerät funken? Eine leistungsfähige WiFi-Verbindung braucht ein HF-gerechtes Schaltungsdesign, das die Bauelemente, das Leiterplattendesign und -layout sowie die Antennenanpassung berücksichtigt.

Industrielle IoT-Anwendungen und dezentrale Steuerungen stellen viele Entwickler vor die Herausforderung, ein Peripherie-Gerät wie einen Sensor und die zentrale Steuerung drahtlos zu verbinden. Der Vorteil: Über galvanische Isolierung und Kabelwege muss man sich keine Gedanken machen. Doch die Qualität der drahtlosen Verbindung ist wichtig, um auch in störintensiven Umgebungen eine sichere Kommunikation zu gewährleisten. Eine gute Qualität der WiFi-Verbindung bedeutet, dass ein HF-gerechtes Design realisiert werden muss, das sowohl den EMV-Anforderungen als auch der Signalintegrität gerecht wird. Im Folgenden geht es um das Design der Antennenschnittstelle, bestehend aus Schaltung, Bauelementen, Layout und der Systemintegration.
 

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Reflexionen an der Antenne vermeiden

WiFi Controller arbeiten digital und erzeugen an ihrem Sendeausgang (Tx-Port) nicht nur erwünschte, sondern auch harmonische Störsignale. Störungen entstehen auch durch Fehlanpassung im Sendepfad, der idealerweise eine Impedanz von 50 Ω aufweisen sollte. Filter und Anpassungsnetzwerke im Sende- und Empfangspfad der WiFi-Schnittstelle können harmonische Störungen dämpfen und die Anpassung an 50 Ω verbessern. Im Nutzfrequenzbereich muss das Übertragungssystem angepasst sein, um das Signal über seine komplette Bandbreite möglichst unbeeinflusst zu übertragen. Zudem muss das System, bestehend aus Signalquelle, Leiterbahn, Filter und Signalsenke, impedanzmäßig angepasst sein, um Reflexionen zu vermeiden und die bestmögliche Signalübertragung im gewünschten Frequenzbereich zu gewährleisten. Durch eine sorgfältige Anordnung der Leiterbahnstrukturen und Berechnung der Dimensionen und Eigenschaften lässt sich die gewünschte spezifische Impedanz der Leiterbahn ohne Reflexionen erzielen.
 

Auswahl HF-tauglicher Filterbauelemente

 

Bauelemente wie Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände bringen in einer Schaltung eine Kombination aus verschiedenen Impedanzen mit sich, welche mit steigender Frequenz zunehmen. Für den Einsatz von Bauelementen in Filtern im Frequenzbereich über 500 MHz gehören die wichtigsten Parameter der Bauelemente eingehend betrachtet.

HF-Kondensatoren ab 500 MHz: Für den hochfrequenten Einsatz eignen sich nur bestimmte Kondensatortypen; ein Beispiel ist die WCAP-CSRF-Serie von Würth Electronik.

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Bild 1: Elektrische Kenndaten des 3-pF-HF-Kondensators WCAP-CSRF 885392005010
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Bild 1 zeigt die elektrischen Parameter mit den zugehörigen Parametern Resonanzfrequenz, ESR, DC-Bias-Drift und Temperaturdrift. Zur Simulation sind diese auch im Tool RedExpert verfügbar.

Die Resonanzfrequenz dieses Kondensators liegt bei ca. 3 GHz, der äquivalente Serienwiderstand ESR ist bis zur Resonanzfrequenz klein und sowohl der DC Bias Drift als auch der Temperatur-Drift sind vernachlässigbar. Neben einer hohen Güte von über 460 ergibt sich mit einer Resonanzfrequenz von 3 GHz eine parasitäre Induktivität von 0,3 nH, was für die allermeisten Applikationen tolerabel ist. Für WiFi-Applikationen im GHz-Bereich sind solche Werte dringend erforderlich.

HF-Induktivitäten ab 500 MHz: Für die Antennenanpassung kommen häufig Induktivitäten ohne Ferrit-Material und für die EMV-Filter Induktivitäten mit Ferritkern zum Einsatz. Handelt es sich um Induktivitäten mit Ferritkern, muss das Ferritmaterial sorgfältig anhand der Impedanzkurven ausgewählt werden. Für die Anwendung des Filters als verlustarmes Antennen-Anpassungsnetzwerk bieten sich Induktivitäten an, deren Drahtwindungen auf Keramik gewickelt sind, um eine hohe Güte und hohe Resonanzfrequenzen zu erreichen.

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Bild 2: Schaltplan der WiFi-Schnittstelle eines IoT Interface Boards
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  2. WiFi-Schnittstelle implementieren

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