Drahtlose Schnittstellen entwickeln

WiFi ist kein Hexenwerk

30. November 2021, 13:24 Uhr | Von Dr.-Ing. Heinz Zenkner, Würth Elektronik

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

WiFi-Schnittstelle implementieren

Bild 2 zeigt eine WiFi-Schnittstelle als Teil eines IoT Interface Boards. Die Funkreichweite hängt dabei stark vom Antennendesign, dem Gehäuse und einem geeigneten Leiterplattenlayout ab. Die HF-Leistungsdaten für Schaltungen, die den gleichen Chipsatz und die gleiche Leistung, aber ein anderes Layout und ein anderes Antennendesign verwenden, können stark variieren. In der Praxis haben die meisten Produkte einen kombinierten Sende-/Empfangsteil, den Transceiver-Chip. Die Antennenanpassung, Zuleitungen und die Antenne selbst werden dabei sowohl für den Sende- als auch den Empfangsbetrieb genutzt.

Der Empfangskanal zeigt typischerweise eine hohe Dynamik, eine Sensitivität von über 95 dB und eine 3 bis 4 dB geringere Empfindlichkeit an der Antenne. Verluste wegen Fehlanpassung können durch eine Verstärkungsnachregelung kompensiert werden. Kritisch ist jedoch der Sendebetrieb, da eine um 3 dB geringere Empfindlichkeit der Antenne oder um 3 dB höhere Verluste auf der Strecke zwischen Sendeendstufe und Antenne eine doppelt so hohe Leistung des Senders erfordern. Das führt zwangsläufig zu hoher Stromaufnahme, höheren Anteilen von Harmonischen im Sendesignal und obendrein ggf. zu EMV-Problemen.

Da der maximale Sendepegel einer EMV-normativen bzw. gesetzlichen Beschränkung unterworfen ist, muss auf der Empfängerseite ein gut abgestimmtes System mit minimaler Empfangsfeldstärke arbeiten. Hersteller des Trans­ceiver-Chips bzw. des Kommunikationsmoduls empfehlen meist passende Antennen für die Einhaltung der entsprechenden Anforderungen im Rahmen der Radio Equipment Directive (RED) 2014/53/EU. Werden andere Antennen eingesetzt oder wird vom empfohlenen Aufbau abgewichen, sind andere HF-Eigenschaften zu erwarten.

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Bild 3: Anpassungsnetzwerke für die Antennen, Schaltplan und entsprechender Layout-Ausschnitt. C99 und C100 sind nicht bestückt.
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Keramische Chip-Antennen


Keramische Chip-Antennen bieten mehrere Vorteile. Sie sind klein und nicht so empfindlich gegen elektromagnetische Einflüsse benachbarter Komponenten. Änderungen am Platinendesign oder -layout lassen sich leicht ohne Simulation vornehmen. Die Antenne kann leicht angepasst oder sogar gegen eine andere ersetzt werden. Keramische Chip-Antennen werden häufig in mobilen und hochfrequenten Anwendungen wie GPS oder 2,4-GHz-Funkgeräten eingesetzt.

Übertragungsleistung maximieren: Die maximale Leistung wird dann übertragen, wenn die Impedanz der Quelle identisch zur Impedanz der Last ist. Das heißt, dass der Transmitter mit seiner Impedanz ZT die Quelle ist, der eine Leiterbahn mit einer Impedanz ZL = ZT speist. Diese wiederum überträgt die Leistung an die Antenne mit der Impedanz ZA, die die gleiche Impedanz wie die Leiterbahn und die Quelle aufweisen sollte. Bei nicht idealer Anpassung wird ein Teil des Signals an den Übergängen zu Leitung und Antenne reflektiert.

Eine solche Fehlanpassung lässt sich durch ein Anpassungsnetzwerk, in der Regel ein Pi -, T-, LL- oder LC-Netzwerk, stark reduzieren. Die Kapazitäts- und Induktivitätswerte im Netzwerk bewegen sich im Bereich von pF und nH; Mustersets in den Bereichen von 0,5 pF bis 20 pF und 0,5 nH bis 20 nH sind zur Anpassung sinnvoll. Zudem braucht es im Layout der WiFi-Schnittstelle Bestückungsplätze für die Antennenanpassung. Bild 3 zeigt den Schaltplan und einen Ausschnitt der Leiterplatte.

Das Layout und die Positionierung der L/C-Komponenten sowie der Chip-Antenne auf der Leiterplatte sind entscheidend: Die Komponenten zur Anpassung müssen so nah wie möglich an den Antennenanschluss. Die Antennenposition, die Größe der ausgesparten Fläche um die Antenne und die Entfernung zwischen der Antenne und der Bezugsmasse-Ebene beeinflussen Resonanzfrequenz und Impedanz.

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Bild 4: Layout-Ausschnitt vom WiFi Interface Board im Bereich der WiFi-Antenne
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Im Referenzbeispiel ist die Antenne in der Ecke des Boards platziert (Bild 4). So ist sie nicht von zusätzlichen Komponenten umgeben. Die Leiterbahn zur Antenne ist als Teil des Antennensystems zu betrachten. Der Randbereich um die Antennenaussparung, die Masseflächen, sind in allen vier Lagen durchkontaktiert. So wird sichergestellt, dass die Antenne eine stabile Bezugsmasse bekommt. Die Länge der speisenden Leiterbahn und die Länge und Breite der Masseebene bestimmen, ob das System wie ein Dipol oder wie ein Monopol wirkt. Wenn die Massefläche ca. 3 bis 4 cm lang und etwa 1 bis 2 cm breit ist, wird das System als Dipol arbeiten; ist die Massefläche größer, arbeitet das System als Monopol-Antenne.

Anpassung einer keramischen Chip-Antenne: Im Beispiel wird eine Multilayer-Chip-Antenne für maximale Leistungsübertragung angepasst. Die Messung der Reflexionsdämpfung S11 erfolgt mit einem Netzwerkanalysator. Bei Reflexion im Signalweg wird ein Teil des Signals aufgrund der unterschiedlichen Impedanzen zwischen Transceiver und Antenne reflektiert. Da die Impedanz des Signalweges meist frequenzabhängig ist, ist auch die Reflexion frequenzabhängig. Mit den in der Schaltung (Bild 3) angegebenen Werten erreicht man eine Reflexionsdämpfung von 29 dB, d. h. ein Spannungsstehwellenverhältnis von 1,06.

Wer sich nicht selbst mit der Antennenanpassung beschäftigen möchte, kann bei Bedarf auf einen Antennen-Anpassungsservice zurückgreifen. (uh)


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