868-MHz-Antennenauswahl: Leiterplattenmontierte Helix-, Stab- und Sub-GHz-Antennendesigns

Die Auswahl einer Antenne für ein 868-MHz-Funkgerät erfordert mehr als nur die Anpassung an die nominelle Betriebsfrequenz. Ingenieure müssen auch den regionalen Frequenzplan, die verfügbare Massefläche, die Montageart, die Gehäusematerialien, das Strahlungsmuster und die für die Anwendung erforderlichen HF-Eigenschaften berücksichtigen. Diese Faktoren sind besonders wichtig für LoRaWAN, LPWAN, Fernüberwachung, intelligente Zähler und andere Sub-GHz-Funksysteme.

Dieser Leitfaden erklärt, wie man Leiterplattenantennen, Helixmonopole und externe Stabantennen für 868-MHz-Anwendungen bewertet. Er stellt außerdem praktische Wellenlängen- und Masseflächenberechnungen vor und vergleicht repräsentative Beispiele. Kinghelm Produkte mit dem TE Connectivity ANT-868-HETH und beschreibt die vor der Produktion erforderlichen RF-Validierungsschritte.

1. Betriebsfrequenzband und Anwendungsanforderungen bestätigen

Vor der Auswahl einer Antenne sollten Sie den vom Gerät verwendeten Frequenzbereich und die im Zielmarkt geltenden Bestimmungen prüfen. Die Bezeichnungen 433 MHz, 470 MHz, 868 MHz und 915 MHz beschreiben gängige Sub-GHz-Frequenzkategorien, sind aber nicht austauschbar. Regionale Frequenzzuweisungen, zulässige Sendeleistung, Betriebsdauerbeschränkungen und Kanalbelegungen variieren.

Eine für 868 MHz ausgelegte Antenne sollte nicht automatisch als gut geeignet für das 915-MHz-Band angesehen werden. Selbst wenn zwei Produkte ähnlich aussehen, können sich ihre Resonanzfrequenzen, Anpassungsnetzwerke und Strahlungseigenschaften erheblich unterscheiden.

Für einen neuen Entwurf sollten die folgenden Anforderungen dokumentiert werden, bevor die Antennenkandidaten in die engere Auswahl genommen werden:

• Betriebsfrequenz: Geben Sie den tatsächlichen Frequenzbereich an, nicht nur die nominelle Mittenfrequenz.
• Funktechnik: Ermitteln Sie, ob die Anwendung LoRaWAN, ein anderes LPWAN-Protokoll, Telemetrie oder eine proprietäre Sub-GHz-Verbindung verwendet.
• Verfügbarer Platz: Notieren Sie die Abmessungen der Leiterplatte, den Freiraum, die Gehäuseabmessungen und die zulässige Antennenhöhe.
• Montagemethode: Entscheiden Sie, ob die Konstruktion ein auf der Leiterplatte montiertes Bauteil, eine Durchsteckantenne oder eine externe Antenne erfordert.
• HF-Ziele: Definieren Sie akzeptable Impedanzanpassung, Effizienz, Strahlungsabdeckung und Kommunikationsreichweite.
• Umweltanforderungen: Berücksichtigen Sie Temperatur, Feuchtigkeitseinwirkung, Vibrationen und die vorgesehene Installationsumgebung.

Eine kompakte Antenne vereinfacht zwar die mechanische Integration, die Größe allein bestimmt jedoch nicht die Systemleistung. Die Antenne muss mit dem gesamten Gerät, einschließlich Massefläche, Gehäuse, Akku, Kabeln und den umliegenden elektronischen Bauteilen, kompatibel sein.

2. Vergleich von Leiterplatten-, Wendel- und externen Antennenkonfigurationen

Unterschiedliche Antennenstrukturen erfüllen verschiedene mechanische und HF-Anforderungen. Eine auf einer Leiterplatte montierte Keramikantenne spart Platz, während ein spiralförmiger Monopol eine kompakte Implementierung eines Monopolstrahlers ermöglicht. Eine externe Stab- oder Gummiantenne kann das Strahlungselement von Teilen der Elektronik entfernen und bietet mehr Flexibilität bei der Positionierung.

Leiterplattenmontierte Antennen für platzsparende Geräte

Eine auf der Leiterplatte montierte Antenne kann eine praktische Option sein, wenn das Produktgehäuse klein ist und ein externes Strahlungselement unerwünscht ist. Die angegebene Verstärkung oder Mittenfrequenz der Antenne beschreibt jedoch nicht vollständig ihre Leistung nach der Installation. Das Leiterplattenlayout, die Massefläche, die Anpassungsbauteile und die umgebenden Materialien können die Resonanzfrequenz verschieben und die Strahlungseffizienz beeinflussen.

Bei der Bewertung einer auf einer Leiterplatte montierten Antenne sind die vom Hersteller empfohlenen Layout- und Sicherheitsabstände zu beachten. Batterien, Metallhalterungen, Displayrahmen, Abschirmungen oder andere leitfähige Strukturen dürfen nicht zu nah am Strahlungselement platziert werden, es sei denn, die Konstruktion wurde in dieser Konfiguration getestet.

Weitere Hintergrundinformationen zur PCB-Antennenintegration finden Sie im Artikel „Patch- vs. Chip- vs. PCB-Antennen für BLE-Wearables“ . Obwohl der Artikel den Schwerpunkt auf die Integration in Wearables legt, sind die darin beschriebenen Layout- und Abstandsregeln auch für die Planung kompakter Antennendesigns hilfreich.

Helixförmige Monopole für kompakte Sub-GHz-Designs

Ein spiralförmiger Monopol nutzt eine leitfähige Spulenstruktur für eine kompakte Antennenkonstruktion. Durchsteckmontage ist sinnvoll, wenn die Leiterplatten- und Mechanikkonstruktion die Montageart und die Platzanforderungen des Bauteils berücksichtigt.

Gehen Sie nicht davon aus, dass alle Helixantennen elektrisch oder mechanisch austauschbar sind. Durchsteckmontage und Oberflächenmontage können unterschiedliche Abmessungen, Installationsanforderungen und Leistungsmerkmale in einem bestimmten Gerät aufweisen. Prüfen Sie vor der Modifizierung der Leiterplatte die genaue Teilenummer und die zugehörige Herstellerzeichnung.

Externe Peitschen- und Gummiantennen

Eine externe Antenne kann dann von Vorteil sein, wenn das Gehäuse es ermöglicht, die Antenne fernab von Hauptquellen HF-Störungen zu positionieren. Diese Anordnung eignet sich beispielsweise für Gateways, Überwachungsgeräte und Geräte, bei denen ein größeres Antennenprofil akzeptabel ist.

Prüfen Sie gegebenenfalls die Nennfrequenz, Impedanz, Verstärkung, Polarisation, Montageschnittstelle und Kabel- bzw. Speiseanordnung der Antenne. Die endgültige Installation sollte zudem hinsichtlich mechanischer Belastbarkeit und HF-Leistung in der vorgesehenen Betriebsumgebung bewertet werden.

3. Wellenlängen- und Grundebenenprinzipien anwenden

Die Wellenlänge bietet einen nützlichen Ausgangspunkt zum Verständnis der Antennenabmessungen. Sie allein bestimmt jedoch nicht die endgültige physikalische Größe einer praktischen Antenne, da Belastung, Spulengeometrie, dielektrische Materialien, benachbarte Leiter und das Anpassungsnetzwerk das Design beeinflussen.

Berechnen Sie die Wellenlänge bei 868 MHz.

Für eine erste Schätzung verwenden Sie bitte folgende Formel:

Wellenlänge (λ) in Metern ≈ 300 ÷ Frequenz (MHz)

Bei 868 MHz:

• Wellenlänge: λ ≈ 300 ÷ 868 ≈ 0.346 m, oder ungefähr 346 mm.
• Eine Viertelwellenlänge: λ/4 ≈ 86.4 mm.

Das Ergebnis der Viertelwellenlänge ist ein theoretischer Referenzwert für einen einfachen Monopol im freien Raum. Eine reale Antenne kann physikalisch kürzer sein oder durch Belastung und Abstimmung anderweitig konfiguriert werden. Ihre effektive elektrische Länge und Leistung hängen von der Antennenstruktur und der Installation ab.

Warum die Grundebene wichtig ist

Eine Monopolantenne arbeitet in Verbindung mit ihrer Grundstruktur. Die Leiterplatten-Grundfläche, die Montageanordnung und nahegelegene leitfähige Bauteile beeinflussen die Stromverteilung und das Strahlungsmuster. Eine von der Herstellervorgabe abweichende Grundfläche kann die Impedanzanpassung und die tatsächliche Leistung verändern.

Beispielsweise gibt die Produktinformation der TE Connectivity ANT-868-HETH in ihrer Antennendokumentation eine Referenzgröße von 38 × 84 mm für die Grundfläche an. Dies sollte als Referenzkonfiguration für Evaluierungszwecke und nicht als universelle Leiterplattengröße für jede 868-MHz-Antenne betrachtet werden.

Beachten Sie beim Layout der Leiterplatte folgende praktische Schritte:

1. Beachten Sie die vom Antennenhersteller empfohlenen Vorgaben zur Landnutzung, Erdung und Sperrzone.
2. Leitfähige Gegenstände und empfindliche Bauteile müssen, sofern dies in den Konstruktionsrichtlinien vorgeschrieben ist, vom Strahlungsbereich ferngehalten werden.
3. Platzieren Sie die Antennenzuleitung und das Anpassungsnetzwerk gemäß dem empfohlenen HF-Layout.
4. Falls im Rahmen des Designprozesses eine Impedanzanpassung erforderlich ist, sollte Platz für Abstimmungskomponenten eingeplant werden.
5. Messen Sie die Antenne im fertig montierten Produkt, anstatt sich nur auf Berechnungen oder eine Simulation der blanken Leiterplatte zu verlassen.

Für detailliertere Designüberlegungen siehe RF Antenna Design: A Practical Guide for Intermediate Engineers.

Anpassung und Messung

Eine Impedanzangabe von 50 Ω ist ein nützlicher Referenzwert für die Schnittstelle, garantiert aber nicht, dass die Antenne im Endprodukt tatsächlich eine Last von 50 Ω aufweist. Antenne und Leiterplatte bilden zusammen das HF-System.

Verwenden Sie einen Vektornetzwerkanalysator (VNA), um die Eingangsanpassung im erforderlichen Frequenzband zu bewerten. S11- und VSWR-Messungen helfen, Resonanzverschiebungen und Anpassungsprobleme zu erkennen. Prüfen Sie nach Möglichkeit auch den Gesamtwirkungsgrad, die Strahlungsdiagramme und die Funkleistung.

Ein gutes S11-Ergebnis allein garantiert weder eine hohe Strahlungseffizienz noch die erwartete Reichweite. Leitungsverluste, dielektrische Verluste, Gehäuseeffekte, Antennenausrichtung und die Empfängerumgebung beeinflussen die Ergebnisse in der Praxis.

4. Vergleichen Sie Kinghelm 868-MHz-Produkte mit dem TE ANT-868-HETH

Beim Vergleich von Produkten ist zwischen elektrischen Spezifikationen und mechanischer Kompatibilität zu unterscheiden. Eine kompakte, auf einer Leiterplatte montierte Antenne, eine externe Gummiantenne und ein durchsteckbarer Helixmonopol können alle für Sub-GHz-Designs in Betracht gezogen werden, erfüllen jedoch unterschiedliche Integrationsanforderungen.

Vertreter Kinghelm Produkte

Wichtig: Die oben genannten Werte sind Herstellerangaben und stellen keinen Leistungsvergleich unter kontrollierten Bedingungen dar. Die Verstärkungswerte sind nicht als direkt gleichwertig zu interpretieren, es sei denn, die Messdefinitionen und Testbedingungen sind vergleichbar. Das endgültige Design muss in der vorgesehenen Leiterplatten-, Gehäuse- und Installationsumgebung bewertet werden.

Wie man den Vergleich interpretiert

Die KH-10032-A83 ist eine kompakte, auf einer Leiterplatte montierte Option mit einer angegebenen Mittenfrequenz von 868 MHz und einer Bandbreite von 10 MHz. Sie kann eine Überlegung wert sein, wenn im Design eine geringe Antennenfläche im Vordergrund steht, vorbehaltlich des erforderlichen Betriebsfrequenzbandes und der Layoutvorgaben des Herstellers.

Die KH-(868)-J505-JB ist eine Gummiantenne mit einer Nennfrequenz von 868 MHz, 50 Ω Impedanz und 2.0 dBi Gewinn. Sie stellt einen anderen Integrationsansatz als eine auf einer Leiterplatte montierte Keramikantenne dar und kann in Betracht gezogen werden, wenn die mechanische Konstruktion des Produkts die Montage einer externen oder separat montierten Antenne ermöglicht.

Die TE ANT-868-HETH ist eine bedrahtete, spiralförmige Monopolantenne, deren Betriebsfrequenzbereich laut Herstellerangaben im Frequenzbereich von 862–870 MHz liegt. Montageart und elektrische Eigenschaften sollten anhand der tatsächlichen Anforderungen des Zielprodukts bewertet werden.

Diese Kinghelm Produkte sollten nicht ohne vorherige Überprüfung als direkter Ersatz für den TE ANT-868-HETH beschrieben werden. Unterschiede in Montage, Erdungsflächeninteraktion, Anpassung, mechanischem Abstand und HF-Leistung können Änderungen an der Leiterplatte oder dem Gehäuse erforderlich machen. Prüfen Sie die genauen Abmessungen, die Schnittstelle und die Konformitätsdokumentation des ausgewählten Produkts, bevor Sie es für die Produktion freigeben.

5. HF-Leistung im Endprodukt validieren

Selbst eine korrekt spezifizierte Antenne kann sich nach der Integration anders verhalten. Ein Metallgehäuse, eine Batterie, ein Display, ein Kabel, eine Montagehalterung oder eine nahegelegene Schaltung können die Impedanz und die Strahlungseigenschaften der Antenne verändern. Daher sollte die Antennenvalidierung Teil des Produktentwicklungsprozesses und nicht erst eine abschließende Lieferantenprüfung sein.

Empfohlene Validierungs-Checkliste

• Frequenzbereich: Vergewissern Sie sich, dass die Antenne alle erforderlichen Kanäle und das entsprechende regionale Frequenzband abdeckt.
• Impedanzanpassung: Messen Sie S11 oder VSWR über den Betriebsbereich mit einem geeigneten HF-Testaufbau.
• Strahlungseffizienz: Die Strahlungsleistung sollte, sofern die Testressourcen dies zulassen, in einem repräsentativ montierten Gerät beurteilt werden.
• Orientierung: Prüfen Sie die beabsichtigte Antennenausrichtung und die zu erwartende Position des Produkts während der Verwendung.
• Bodenflächeneffekte: Vergleichen Sie das endgültige Leiterplattenlayout mit der vom Hersteller empfohlenen oder der Referenzkonfiguration.
• Einhausungseffekte: Testen Sie mit eingebautem Endgehäuse, Akku, Display und allen wichtigen leitfähigen Teilen.
• Kommunikationsleistung: Testen Sie die tatsächliche Funkverbindung unter repräsentativen Betriebsbedingungen und verlassen Sie sich nicht allein auf den Antennengewinn.
• Umweltverträglichkeit: Überprüfen Sie anhand der Produktdokumentation, ob Temperatur, Feuchtigkeit, Vibrationen und mechanische Anforderungen erfüllt sind.
• Einhaltung gesetzlicher Vorschriften: Bestätigen Sie, dass das fertige Gerät die relevanten Funk- und Produktanforderungen im Zielmarkt erfüllt.

Wenn das Produkt für LoRaWAN oder eine andere drahtlose Langstreckenanwendung vorgesehen ist, sollten die Tests die reale Einsatzumgebung widerspiegeln. Installationshöhe, Antennenausrichtung, Hindernisse, Störungen und die Empfangsantenne können die Verbindungsleistung beeinträchtigen.

Bei Leiterplattenmontage sollte ausreichend Platz für Anpassungen des Anpassungsnetzwerks eingeplant werden, falls die ersten HF-Messungen eine Abstimmung erforderlich machen. Jegliche Bauteiländerungen sind zu dokumentieren und an seriennahen Bauteilen zu verifizieren.

6. Treffen Sie eine fundierte Entscheidung hinsichtlich Design und Beschaffung im Sub-GHz-Bereich.

Eine praxisorientierte Entscheidung für eine Sub-GHz-Antenne beginnt mit der Festlegung des Zielfrequenzbandes und umfasst die mechanische Integration, die HF-Validierung und die Lieferantenprüfung. Die kleinste Antenne ist nicht zwangsläufig die beste Wahl, und ein höherer veröffentlichter Gewinnwert garantiert nicht automatisch eine bessere Leistung in jedem Produkt.

Für ein kompaktes Gerät kann eine Leiterplattenantenne wie die KH-10032-A83 zur Evaluierung in Frage kommen, sofern deren Frequenzbereich und Layoutvorgaben mit dem Design übereinstimmen. Ist eine separat montierte Antenne besser geeignet, bietet die KH-(868)-J505-JB eine weitere Bauform zur Bewertung. Für Designs, die einen bedrahteten Helixmonopol erfordern, dient die TE ANT-868-HETH als herstellerdokumentierte Referenz zur Evaluierung dieser Konfiguration.

Bevor Sie die Stückliste finalisieren, bestätigen Sie bitte das genaue Modell, das Betriebsfrequenzband, die mechanische Zeichnung, die Impedanz, die Messbedingungen für die Verstärkung, die Montageschnittstelle und die relevanten Konformitätsinformationen. Wenn Sie eine vorhandene Antenne ersetzen, testen Sie sowohl die mechanische Passform als auch die HF-Leistung im tatsächlichen Gerät und verlassen Sie sich nicht allein auf die Nennfrequenz.

KinghelmDas Antennenportfolio von [Unternehmen] umfasst Produkte für unterschiedliche Anforderungen an die drahtlose Integration. Ingenieure und Einkaufsteams können die veröffentlichten Produktspezifikationen prüfen und die Eignung für ihre geplante Anwendung bestätigen, bevor sie ein Bauteil für die Produktion auswählen.

Weitere Hinweise zur Antennenintegration finden Sie im Artikel „ Wie wählt man eine Bluetooth-Antenne aus? Von Patch- bis Keramikantennen“ . Obwohl der Schwerpunkt auf Bluetooth liegt, bietet der Artikel zusätzliche Informationen zur Anpassung der Antennenstruktur an den verfügbaren Produktraum und die Integrationsbeschränkungen.

Referenzen

1. TE Connectivity, ANT-868-HETH Produktseite.
2. TE Connectivity, Antennenkatalog.
3. Kinghelm, Antennen-Produktlisten.
4. Kinghelm, Produktliste für Gummiantennen.
5. Kinghelm, HF-Antennendesign: Ein praktischer Leitfaden für fortgeschrittene Ingenieure.
6. Kinghelm, Patch-, Chip- oder Leiterplattenantenne für BLE-Wearables.
7. Kinghelm, Wie wählt man die richtige Bluetooth-Antenne? Von Patch- bis Keramikantennen.