Wireless-Design

Optimale drahtlose Kommunikation beim Design von IoT-Leiterplatten

| Autor / Redakteur: Krisztián Kovács* / Sebastian Gerstl

Was beeinflusst die RF-Performance?

Erstens ist das die Frage, wo die RF-Komponenten platziert sind und wie weit sie von anderen Komponenten entfernt sind. Das kann die Kopplung von unerwünschten Signalen beeinflussen. Zweitens können die Wege und Größen von sowohl RF- als auch von Nicht-RF-Leiterbahnen (besonders die Versorgungsleitungen) von Einfluss sein. Zum Dritten ist die Art der Antenne von Bedeutung.

Zu anderen Faktoren zählen die Metallisierung der Erdungsebene und die physikalischen Eigenschaften der PCB, einschließlich deren Dicke, die Anzahl von Lagen sowie ihre Dielektrizitätskonstante. Leistungswandler, MCU-Taktschaltungen und andere Komponenten auf der Leiterplatte können ebenfalls überhöhte Störsignale im RF-Spektrum zur Folge haben und die Empfindlichkeit verschlechtern. Deshalb müssen Entwickler Filter implementieren, um die erwünschten Signale von den unerwünschten zu trennen und letztere daran zu hindern, den RF-Pfad zu erreichen.

Um zum Verständnis der Signalfilterung beizutragen, müssen die Entwickler die Idee der RF-Schaltungsfunktionen verstehen. Der Funk in der integrierten Schaltung (IC) setzt sich aus einem Sender (Tx) und einem Empfänger (Rx) zusammen. Der Tx ist bestrebt, den maximalen Anteil des gewünschten Signals an die Antenne weiterzuleiten.

Zwischen RF-IC und Last wird eine Impedanzumwandlung eingesetzt, um zu versuchen, dass der maximale Leistungsanteil auf der Grundfrequenz abgestrahlt und dabei die Verlustleistung so weit wie möglich reduziert wird. Das wird mithilfe eines kombinierten Anpassungs- und Filternetzwerkes erreicht, das sich aus parallelgeschalteten Kondensatoren und in Reihe geschalteten Induktoren zusammensetzt.

Arbeitet man bei 2,4 GHz, bei Tx-Leistungspegeln über 13 dBm, verwendet man am besten eine Vier-Element-Leiter (siehe Bild 1). Bei niedrigen Leistungen könnte ein Zwei-Element-L-C-Netzwerk ausreichen. Im Empfangsbetrieb erreicht Rx die maximale Empfindlichkeit, wenn dasselbe Impedanzanpassungs-Netzwerk eingesetzt wird.

Entwicklung des RF-Bereichs auf der Leiterplatte

Lässt sich ein Referenz-Design nicht in seiner ursprünglichen Form verwenden, kann das Einhalten einer Reihe von Best-Practice-Richtlinien ihre Chancen auf Erfolg erhöhen.

Das erste Element des Anpassungsnetzwerks sollte so dicht wie möglich beim Tx-Ausgangs-Pin des RF-ICs sitzen. Und auch die anderen Komponenten sollten eng beieinander angeordnet sein. Man sollte bestrebt sein, die Leiterbahnbreite, welche diese Elemente miteinander verbindet, gleich der Pad-Breite zu machen – bei oberflächenmontierbaren Bauelementen der Größe 0402 sind das im Allgemeinen 0,5 mm.

Es ist unerlässlich, dass Sie die Entkopplungs-Kondensators korrekt an jedem Versorgungs-Pin platzieren. Sehen Sie die Bypass-Kondensatoren mit den niedrigsten Werten in nächster Nähe zu den IC-Pins vor, und zwar unter Verwendung einer guten Erdung und mehrerer Durchkontaktierungen (Vias) zu der Erdungsebene. Der Einsatz von Bypass-Kondensatoren mit Kapazitäten von ungefähr 100 nF kann Taktsignale unterdrücken (bis zu -zig MHz). Tun Sie das nicht, könnten diese Signale aufwärts-gewandelt werden und unerwünschte Störungen rund um die Trägerfrequenz verursachen.

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