Embedded HF-Design: Keramik-Chip-Antennen im Vergleich zu PCB-Antennen

Interior of modern café

Die Café-Kultur hat in den letzten Jahren einen großen Aufschwung erfahren, und viele der neueren Cafés suchen nach innovativen Wegen, um ihrem Geschäft ein kreatives Profil zu verleihen. Café- und Buchladenhybride, Gourmetkaffee mit Baristas, die über Expertise bezüglich regionaler Kaffeebohnen verfügen, und sogar Katzencafés sind allesamt Marketingmodelle, die man heutzutage finden kann. 

Letztendlich gehen die Menschen aus ein paar wichtigen Gründen in die Cafés: um sich ein Getränk oder einen Snack zu holen, um sich mit ihren Freunden zu treffen und zu unterhalten oder um außerhalb ihres Büros und Hauses etwas Arbeit zu erledigen. Möglicherweise unterscheiden sich die Cafés darin, welche Art von Sahnehäubchen sie anbieten, aber die Kernkonzepte sind relativ unverändert. Bei der Wahl der Komponentenoptionen für Leiterplatten ist es sehr ähnlich. 

Die Nachfrage nach einer kompakten, leistungsstarken und kostengünstigen Embedded HF-Transceiverlösung steigt seit vielen Jahren angesichts der Entwicklungen in den Bereichen Robotik, KI und IoT. Unverändert sind Kosten, Leiterplattenlayout und Fachwissen die Hauptmerkmale, die die Präferenz der Designer für verschiedene Typen von Keramik-Chip-Antennen oder PCB-Antennen beeinflussen.

PCB-Antennen: Kennen Sie Ihren Frequenzbereich

In der Vergangenheit hat der Designingenieur womöglich die Kompromisse für seinen Zielfrequenzbereich berücksichtigt und sich für die zuverlässigere PC-Antenne entschieden. Moderne Embedded-Antennen-Hardware ist für den Betrieb in einer Bandbreite zwischen 400 Megahertz und 5,5 Gigahertz ausgelegt. Die zunehmende Zuverlässigkeit, Erschwinglichkeit und Einfachheit der Implementierung von Keramikantennen wird vielleicht einen intensivierten Wettbewerb anstoßen.

Tatsache ist, dass der Aufwand für eine einfache Leiterbahn auf einer Leiterplatte, die der Designer vor der Fertigung im CAD anlegt, minimal ist. Trotz der niedrigen Kosten der PCB-Antenne gibt es immer noch viele Fälle, in denen die Keramik-Chip-Antenne bevorzugt wird. Die höheren Kosten der Keramik-Chip-Antenne lassen sich durch die geringe Größe, die einfachere Implementierung und die höhere Toleranz gegenüber Umwelteinflüssen ausgleichen.

PCB-Antennen

PCB-Antennen sind bekanntlich schwer zu entwerfen, zu implementieren und abzustimmen, insbesondere in einer Implementierung, die klein und zuverlässig sein muss. Ähnlich wie bei einer Drahtantenne hängt die Größe einer PCB-Antenne von den Frequenzen der Zielbandbreite ab. So muss beispielsweise bei niedrigen Frequenzen die PCB-Antenne viel länger sein, damit eine entsprechende Resonanzfrequenz erreicht wird. 

Die Wahl einer PCB-Antenne gegenüber einer Keramik-Chip-Antenne hat die folgenden Vorteile:

  • Die PCB-Antenne wird während des Herstellungsprozesses in die Leiterplatte eingebettet.

  • Bei optimaler Abstimmung kann eine PCB-Antenne innerhalb einer großen Bandbreite betrieben werden und verfügt gleichzeitig über ein hohes Maß an Netzwerkzuverlässigkeit und -stärke.

  • PCB-Antennen haben ein dünnes Profil.

Die Verwendung von PCB-Antennen hat aber auch Nachteile:

  • Sie sind schwierig zu designen, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Sie sind sehr anfällig für Änderungen am Leiterplattenlayout, d. h. nach jeder Änderung ist eine Abstimmung erforderlich, wenn nicht gar eine Überarbeitung.

  • Sie beanspruchen viel mehr Platz als eine Keramik-Chip-Antenne, insbesondere beim Design für tiefe Frequenzen. Da eine größere Fläche der Leiterplatte belegt wird, erhöhen sich die Kosten für das Design.

  • PCB-Antennen reagieren sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse.

Die PCB-Antenne kann vom Designer nach der Fertigung nicht physikalisch verändert werden. Wenn Änderungen erforderlich sind, muss der Anwender das Design ändern und die Leiterplatte erneut fertigen. Die potentiell großen Abmessungen der PCB-Antenne und die zeitaufwändige Art des Design-/Abstimmungsprozesses, bei dem in der Regel Simulationssoftware zum Einsatz kommt und umfangreiche Tests durchgeführt werden, können für den PCB-Designer Gründe sein, eine Keramik-Chip-Antenne zu bevorzugen. 

SIM card on PCB with antenna attached

Ihre Antenne sieht möglicherweise etwas anders aus, aber auch sie wird Probleme mit Größe und Frequenzbereich haben.

Keramik-Chip-Antennen

Keramik-Chip-Antennen erfordern in der Regel auch eine Abstimmung durch einen Netzwerkanalysator, aber sie haben nicht die physikalischen Eigenschaften der PCB-Antenne, die nach dem Drucken der Leiterplatte nicht mehr manipuliert werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Simulationssoftware und die kostspielige Herstellung neuer Prototyp-Leiterplatten, bei der die alten Komponenten verloren gehen.

Keramik-Chip-Antennen bieten mehrere Vorteile, darunter:

  • Kleine Abmessungen und eine Vielzahl von verschiedenen möglichen Konfigurationen.

  • Geringere Empfindlichkeit gegenüber in der Nähe befindlicher Umgebungseinflüsse und Komponenten.

  • Änderungen am Leiterplattendesign oder -layout lassen sich ohne Simulation leichter umsetzen. Die Keramik-Chip-Antenne kann leichter abgestimmt oder sogar ausgetauscht werden.

  • Keramik-Chip-Antennen haben aber auch Nachteile:

  • Die Anschaffungskosten für Keramik-Chip-Antennen und die dazugehörigen Supportkomponenten sind höher. Derzeit kostet die durchschnittliche Chip-Antenne zwischen 0,10 und 1,60 USD.

Die Keramik-Chip-Antenne ist ein Bauteil, dass sie nach Abschluss der Designphase auf der Leiterplatte bestücken. Diese Eigenschaft ermöglicht eine größere Abstimmungsfähigkeit während der Entwicklung. Dadurch, dass Keramik-Chip-Antennen auf der Oberfläche montiert werden können, lassen sie sich leicht entfernen und austauschen, um schnelle Hardwareänderungen zu ermöglichen.

Das auf Keramik-Chip-Antennen basierende Design bietet mehr ungenutzten Leiterplattenplatz, auf dem zusätzliche gewünschte Komponenten integriert werden können. Anstatt diesen zusätzlichen Platz zu nutzen, könnte man auch die Leiterplattengröße reduzieren, um die Fertigungskosten zu senken. Ein Ingenieur, der eine hochvolumige mehrlagige Leiterplatte entwirft, würde den verschwendeten Platz, der bei einem auf einer PCB-Antenne basierenden Leiterplatten-Schaltplan durch das Hinzufügen der einzelnen Lagen entsteht, als entscheidenden Faktor betrachten. 

Abstract sound waves representing frequency and amplification

Stellen Sie sicher, dass Sie die richtige Antenne für Ihre Leiterplattenanforderungen verwenden: Kosten und Nutzen. 

Es ist eine Herausforderung, die kleinstmögliche Antenne zu entwickeln, während man die Abstimmzeit minimiert, die Signalstärke maximiert und gleichzeitig Raum für weitere gewünschte Komponenten lassen muss. Unabhängig von der Implementierungsmethode ist es am besten, den endgültigen Prototyp ausgiebig zu testen, um über Performancemessungen zu untersuchen, ob diese Antenne realisierbar ist. 

Wenn eine Abstimmung erforderlich ist, kann diese mit einer leistungsfähigen PCB-Design-Software viel schneller und einfacher durchgeführt werden. Wenn Sie nach einer Software mit großartigen Funktionen wie automatisches interaktives Routing, einem Stromverteilungsnetzwerkanalysator und einfacher 2D-zu-3D-Layoutumschaltung suchen, bietet Ihnen Altium Designer möglicherweise die einheitliche Designumgebung, die Sie benötigen, um Ihr Design richtig zu gestalten.

Um genauer zu erörtern, welche Art von Antennen die beste Wahl für Ihre Leiterplatte sind, oder um mehr über die Frequenzanforderungen im Allgemeinen zu erfahren, sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten.

Über den Autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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