Antennen in miniaturisierten digitalen Geräten

Grund dafür ist das Vordringen von IoT, smarten Wearables und anderer miniaturisierter Elektronik mit drahtloser Informationsübertragung. Eine wichtige Rolle spielen dabei Antennen. Um Hilfe zu leisten, bietet Antenova neben einem ständig größer werdenden Sortiment an miniaturisierten Antennen unterschiedlichster Art weitere Dienstleistungen und zahlreiche Informationsmöglichkeiten an. Dieser Beitrag gibt dazu einen Überblick.

Das britische Unternehmen Antenova wurde 1999 gegründet und offeriert Hardware und Dienstleistungen für die drahtlose Informationsübermittlung weltweit [1]. Im Mittelpunkt stehen miniaturisierte Antennen für IT-Geräte aller Art. Antenova sieht sich als Marktführer in diesem Produktsektor. Das Antennensortiment wird ständig erweitert, um leistungsstarke Lösungen für die neuesten drahtlosen Konnektivitätsanforderungen bereitstellen zu können. Ein Beispiel dafür ist der voranschreitende Siegeszug von Wearables. Er brachte nicht nur ein neues Geschäftsgebiet mit sich, sondern führte auch zu bisher nicht dagewesenen neuen, höheren Anforderungen an die Antennenlösungen bezüglich Design, Material und Zuverlässigkeit. Ein weiteres Beispiel sind die Anforderungen an die drahtlose Übertragungstechnik, die sich aus dem massiven Übergang zu M2M- und IoT-Anwendungen ergeben. Auch hier sind neue, zuverlässige und preiswerte Antennenlösungen erforderlich. Abbildung 1 zeigt, dass Antennen die kritischen Komponenten eines drahtlosen Systems von Sender (TX) als auch Empfänger (RX) sind [2].Abb. 1: Typisches drahtloses Nahbereichs-Funksystem

Hohe Produktansprüche, große Produktvielfalt

Antenova beliefert führende Modulanbieter und Systemintegratoren. Entscheidende Gesichtspunkte für die Standard-Antennenlösungen der Firma, die für drahtlose M2M-, IoT- und Embedded-Elektronik-Anwendungen erforderlich sind, lauten

• hohe Effizienz
• geringer Stromverbrauch
• zuverlässige Leistung
• problemlose automatisierte Montage
• kleine angepasste Bauformen

Mit seinen Produkten deckt das in Hatfield ansässige Unternehmen ein breites Anwendungsspektrum ab: GSM, CDMA, 3G, 4G, 5G, LTE, GPS, GLONASS, Beidou, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, ISM und NB-IoT. Für seine hohe Antennenqualität hat Antenova beispielsweise einen Hardware-Award auf der Embedded World 2018 gewonnen.

Das genannte Anwendungsspektum lässt bereits vermuten, dass Antenova Kunden in aller Welt bedient und folglich auch Niederlassungen beispielsweise in Taiwan und China hat. Die Standard-Antennenserien für WLAN-, Wi-Fi-, GPS-, ISM- und Telekommunikationsanwendungen gelten als führend in ihren Märkten. Hinzu kommen ständig neue Antennen für neue M2M- und IoT-Anwendungen. Das Produktsortiment untergliedert sich in sieben Gruppen:

• gigaNOVA – ursprüngliches Sortiment eingebetteter Miniaturantennen
• lamiiANT – Familie von SMD-Antennen, die aus FR4-Materialien hergestellt werden
• flexiiANT – Gruppe flexibler FPC-Antennen mit einem Kabel und einem Stecker, die an der Unterseite oder dem Gehäuse eines Produkts befestigt sind
• Terminalantennen – schlanke ergonomische Antennen hoher Leistung in einem stilvollen Design
• RADIONOVA – leistungsstarke Antennenmodule für drahtlose M2M- und Embedded-Anwendungen
• ceriiANT – Familie von Miniatur-Keramikantennen, die zu den kleinsten Antennen der Welt gehören
• REFLEKTOR – Antennen für den Betrieb ohne Verstimmung auf Metalloberflächen oder wenn das Produktgehäuse hauptsächlich aus Metall besteht.

Nachfolgend werden einige Antennentypen kurz vorgestellt.

Neuere Antennenentwicklungen

Das Antennensortiment wird laufend an die Fortschritte in der Elektronik angepasst. Anfang Juli dieses Jahres stellte Antenova mit Lutosa eine kompakte Hochleistungsantenne für die 5G-Bänder bereit, die weltweit einsetzbar ist, einschließlich Band 74 (1420-1520 MHz) und Band 71 (617-698 MHz) (Abb. 5). Sie gehört zur vorn erwähnten flexiiANT-Familie.Abb. 5: Antenne Lutosa für das 5G-Band und weitere Bereiche

Lutosa ist eine flexible Antenne mit den Maßen 95x15x0,15 mm und ideal für kleinere Designs, da sie gebogen oder gefaltet und in das Gerät eingesetzt werden kann. Die Antenne ist linear polarisiert und zeigte in Tests eine hohe Effizienz. Antenova hat diese Lösung für eine einfache Integration in ein Gerät entwickelt. Die Antenne benötigt keine Masselage oder ein passendes Netzwerk und wird einfach mit einem eigenen selbstklebenden Streifen befestigt. Sie ist für die nächste Generation von M2M- und IoT-Anwendungen bestimmt, die Video-Streaming und hohe Datenraten in den 5G-Netzwerken nutzen. Diese Antenne wird für autonome Fahrzeuge, zelluläre Wi-Fi-Hotspots, städtische Lieferdrohnen und CCTV über 5G geeignet sein.

Bereits im Herbst letzten Jahres kam mit Lepida SR4L054 eine hochleistungsfähige 5G-Breitbandantenne in SMD-Bauform hinzu, die für einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistung über das gesamte Spektrum von 600MHz bis 3800MHz ausgelegt ist (Abb. 6).Abb. 6: Hochleistungsfähige 5G-Breitbandantenne in SMD-Bauform Lepida SR4L054

Vorstandsvorsitzender Paul Hill äußerte dazu: „Lepida zielt auf den wachsenden 5G-Markt und markiert die Fortsetzung einer erfolgreichen Periode für Antenova. Der Umsatz hat sich für uns trotz Covid gut gehalten. Unser Unternehmen ist in guter Verfassung, um die zunehmenden Möglichkeiten von 5G zu nutzen.“

Bereits im Sommer 2019 fügte das Unternehmen mit Minuta eine neue, ultrakompakte Dual-Band-Wi-Fi-Antenne in sein Sortiment winziger Embedded-Antennen ein. Minuta ist eine Keramikantenne mit den Maßen 1,0 x 0,5 x 0,5 mm und damit eine der kleinsten, heute verfügbaren Embedded-Antennen. Antenova hat diese Antenne für das neuere 4,9–5,9GHz-Frequenzband entwickelt, welches weniger gestört ist als der Bereich 2,4–2,5GHz und eine bessere Leistung mit weniger Störungen bietet. Sie bedient aber beide Bereiche (Abb. 7). Minuta gehört zur CeriiANT-Familie.Abb. 7: Ultrakompakte Dual-Band-Wi-Fi-Antenne Minuta

Minuta gibt Designern nützliche Flexibilität beim Layout einer Leiterplatte, da sie nicht an einer Ecke platziert werden muss, sondern entlang einer der langen Kanten einer Leiterplatte angeordnet werden kann. Die Antenne ist ideal für Access Points und tragbare Geräte. Der Hersteller empfiehlt Minuta insbesondere für die Wearable-Technologie und am Körper getragene Geräte, da sie weniger anfällig für Verstimmungen ist, wenn sie nahe am menschlichen Körper eingesetzt wird.

Großes Wissen erforderlich

Antennen sind anders als jede andere Art von integrierten Schaltungen. Um ein hohes Leistungsniveau zu erreichen, benötigen sie eine optimierte Betriebsumgebung. Hier sind einige Faktoren, die beim Starten eines Leiterplattendesigns zu berücksichtigen sind:

• Miniaturisierung
• Bauteillayout
• Antennen-Gehäuse-Abstand
• Groundplane-Positionierung
• Gehäusematerial des Gerätes
• Via-Gestaltung

Um die besten Ergebnisse in einer bestimmten Anwendung zu erzielen, muss der Designer der Baugruppe bzw. des Finalgerätes ein gewisses Verständnis für die möglichen Auswirkungen der Konfiguration der Antenne auf die HF-Leistung haben (Abb. 8). Sobald er sich für eine bestimmte Konfiguration entschieden hat, kann die Leistung der Antenne optimiert werden, indem ihre Eingangsimpedanz in situ gemessen und eine geeignete Schaltungsanpassung entworfen wird, damit der HF-Chip beispielsweise mit einer 50-Ohm-Lastimpedanz betrieben wird.Abb. 8: Die Anordnung einer Antenne in einer Baugruppe erfordert große Sorgfalt

In einer Applikationsschrift für Antennen der gigaNOVA-Serie für den Mobilfunkbereich werden Leiterplattendesignern einige Hinweise gegeben, worauf sie bei der Konstruktion der Leiterplatte bzw. der Baugruppe und auch des Finalgerätes zu achten haben [3]. Ausgangspunkt für die Hinweise ist, dass die Mobilfunkantennen dieser Serie meist sehr klein sind: ihre längste Abmessung ist viel kürzer als ein Viertel der Wellenlänge des zu verarbeitenden Signals. Erste Aufgabe ist es, die richtige Antenne für die Anwendung auszuwählen und die Antenne auf dem zugehörigen Modul zu platzieren. In [3] wird beispielsweise ein Hinweis für die richtige Positionierung der Antenne auf der Leiterplatte gemäß Abbildung 9 gegeben, damit die Antennenfunktion nicht negativ beeinflusst wird.Abb. 9: Hinweis für die richtige Platzierung einer Antenne aus der gigaNOVA-Serie von Antenova

Die Verletzung des vorgeschlagenen Grenzwertes führt zu einer fortschreitenden Verringerung der Impedanzbandbreite der Antenne und zu einem erhöhten Risiko des Verlustes von HF-Energie durch Einkopplung in andere Schaltungsteile. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen der Antenne, den PCB-Abmessungen und dem jeweiligen Layout, den Komponententypen und Schaltungsfunktionen der relevanten Komponenten ist es sehr schwierig, harte quantitative Richtlinien zu geben. Eine detaillierte elektromagnetische Modellierung ist möglich, aber es ist sehr teuer, eine komplexe Schaltung im erforderlichen Detail zu modellieren, insbesondere wenn einige der Wechselwirkungen komplexe digitale ICs beinhalten.

Die Antennen werden in einem Bereich montiert, der frei von Kupfer-Masseflächen der Leiterplatte ist. Sie erzeugen elektromagnetische Felder gleicher Intensität auf beiden Seiten der Leiterplatte, auf der sie montiert sind. Daraus resultieren einige auf den ersten Blick recht triviale Grundforderungen an den Designer wie diese:

• Niemals Masseflächen oder Leiterzüge unter der Antenne platzieren
• Niemals die Antenne in unmittelbarer Nähe von metallischen Gegenständen anordnen
• Im Finalgerät dürfen Kabel und Komponenten nicht zu nahe an die Antenne kommen
• Monopolantennen wie Reflexus und Calvus benötigen eine angemessene Grundflächenfläche, um effizient zu sein
• Das finale Tuning muss immer im Gehäuse des Endproduktes durchgeführt werden, also nicht im Freien
• Niemals eine Antenne mit einem ganz anderen Layout als das Referenzdesign einsetzen und dabei erwarten, dass sie ohne Tuning funktioniert
• Keine Metallgehäuse oder metallisierten Kunststoff um die Antenne verwenden
• Das Kunststoffgehäuse auf hohe HF-Verluste testen, vorzugsweise vor der Produktion
• Niemals Low-Q-Loading-Komponenten einsetzen und nicht den Hersteller ohne erneute Prüfung wechseln
• Keine sehr schmalen Leiterbahnen vorsehen. Sie sollten relativ breit sein, wenn es der Platz zulässt.

Dienstleistungen

Weil drahtlose Übertragungstechnik im Zuge des Übergangs auf smarte Fabriken, IoT, Wearabless, smart Homes usw. in immer mehr Produkte vordringt, muss sich auch eine wachsende Anzahl von Designern und Schaltungsentwicklern mit Grundlagen der Funktechnik befassen, viele davon erstmals. Um diese in ihrer Arbeit zu unterstützen, bietet Antenova neben einem ständig größer werdenden Standardsortiment an Antennen weitere Dienstleistungen an wie:

• Antennenabgleich und -test
• Betreuung des Produktentwicklungszyklus beim Kunden
• Maßgeschneidertes Antennendesign im Fall von individuellen Lösungen.

Die Antennen von Antenova wurden speziell für die Integration in ein Wireless-Kommunikation-Gerät entwickelt. Diese Designphilosophie bezeichnet das Unternehmen als Design for Integration (DFI). Auf Anfrage stellt die Firma für alle seine Antennen kostenlos CAD-Dateien zur Verfügung, um die Integration der Antenne in der Entwurfsphase zu erleichtern. CAD-Dateien können von den entsprechenden Produktseiten heruntergeladen werden. Antenova bietet auch kostenlose Architektur- und Gerber-Rezensionen an.

Weiterer Support

Leiterplattendesigner und Schaltungsentwickler erhalten auf den Internetseiten von Antenova zusätzliche Hilfe und Informationen unterschiedlicher Form wie:

• Fachartikel über die Grundlagen des Board-Designs für Wireless-Produkte zum Download [4]
• Webinar-Videos, z. B. ‚Wie Sie die richtige Antenne auswählen: Eine Einführung' vom 19. Juli 2021. In den Monaten Juni/Juli 2021 gab es eine ganze Webinar-Reihe zu verschiedenen Themen, im Mai 2021 ein Webinar zur Gestaltung medizinischer Geräte mit drahtloser Kommunikation [5]
• Antennen-Quick-Guides
• Fallstudien
• White Paper zum Download, z. B. ‚Der ultimative Leitfaden zur Impedanzanpassung'.

Weiterhin steht ein Transmission Line Calculator zum kostenlosen Download zur Verfügung. Hier erhalten Interessenten Hilfe für schnelle, einfache und flexible Optionen bei der Auswahl der optimalen Abmessungen von Übertragungsleitungen. Im Blog von Antenova ist auch ein Artikel zu grundlegenden Designüberlegungen für drahtlose eHealth-Geräte. Dazu wird dort gesagt: Das Design eines jeden neuen Produkts hat seine Herausforderungen, aber eHealth-Geräte bewegen sich in einem besonders anspruchsvollen Umfeld. Abgesehen von den üblichen Problemen mit der HF-Gesetzgebung ist das regulatorische Umfeld für Gesundheitstechnologie ziemlich komplex, und die Benutzer selbst haben oft besondere Anforderungen. Außerdem können diese Geräte in Situationen eingesetzt werden, in denen es um Leben und Tod geht, so dass ihre Zuverlässigkeit höchsten Ansprüchen genügen muss. Dies alles führt dazu, dass die Entwicklung von eHealth-Geräten mehr Sorgfalt und Planung erfordert als viele andere Systeme.

Neues Kostenloses Tool zum Platzieren von Antennen auf Leiterplatten

Im Mai 2021 teilte Antenova mit, dass man ein neues Software-Tool entwickelt hat, das Designer bei der Platzierung von Antennen in einem Wireless-Design unterstützt. Das Antenna Selection & Placement Tool zeigt die optimale Position für eingebettete Antennen auf der Leiterplatte an, abhängig von den Abmessungen der Leiterplatte und den Spezifikationen der Antennen [6] (Abb. 10). Es platziert jede einzelne Antenne auf der Leiterplatte an der für die Signalstärke besten Stelle. Die Firma hat dieses Tool entwickelt, um Produktdesigner zu unterstützen, die keinen Zugang zu Antennenkenntnissen im Haus haben.Abb. 10: Bei der Platzierung mehrerer Antennen auf einem Board hilft das neue Tool von Antenova

Das Tool soll den Konstrukteuren helfen, die Antenne schon früh im Konstruktionsprozess in der besten Position zu platzieren und leichter ein funktionierendes Wireless-Design zu erreichen. Es kann für eine einzelne Antenne oder für bis zu drei Antennen verwendet werden, weil ja in neueren Geräten oft mehrere Antennenarten installiert werden müssen. Die Antennenplatzierung wird ja komplexer, wenn mehr als eine Antenne im Design vorhanden ist, da jede Antenne in der Lage sein muss, korrekt abzustrahlen, ohne Interferenzen mit den anderen zu verursachen. Aus diesem Grund kann man bis zu drei Antennen aus verschiedenen Kategorien oder ein Antennenpaar in einer Diversity-Konfiguration gruppieren.

Das Platzierungstool von Antenova wird für solche Designer wertvoll sein, die Layouts für die kleinen PCBs in einigen der neuesten Tracker und mobilen Geräte erstellen. Das Tool zeigt nicht nur die beste Position für die Antenne an, sondern auch den ‚Keep-Out'-Bereich neben der Antenne, der von anderen Komponenten freigehalten werden muss. Auf diese Weise hilft es den Designern, die Komponenten so eng wie möglich zu packen und Platz im Design zu sparen.

„RF-Engineering-Kenntnisse sind Mangelware, und nicht alle Designer haben Zugang zu Antennenspezialisten. Deshalb bieten wir unser Antenna Placement Tool an, um Designern den Einstieg in ihr Wireless-Design zu erleichtern und auf Anhieb ein erfolgreiches Layout zu erzielen“, erläuterte Michael Castle von Antenova dazu. Das Tool ist im Blog unter [7] aufrufbar. Ergänzend dazu gibt es dort auch einen kurzen Einführungsartikel.

Referenzen:

[1] www.antenova.com
[2] www.cypress.com
[3] www.glynstore.com/content/docs/antenova/Cellular_gigaNOVA-09MD-0024-2-AN.pdf
[4] https://blog.antenova.com/board-design-for-wireless-products
[5] https://blog.antenova.com/topic/webinars
[6] www.electronicsweekly.com/news/business/free-tool-placing- antenna-pcb-2021-05/
[7] blog.antenova.com/how-to-use-antenna-selection-placement-tool