Antennen auf FR4 - Verkürzungsfaktor?
Jürgen Hüser
Habe da vor einiger Zeit mal ein paar unbedachte Prototypen versucht:
LPDA-Antennen auf FR4 geï¿œtzt.
Im groï¿œen und ganzen tun die schon genau das, was sie sollen.
Haben in dem berechneten Frequenzbereich gute 8-10dB mehr als ein
Teleskopstrahler sowie eine deutliche Richtwirkung.
Nun wollte ich mich ein wenig nï¿œher mit der Thematik beschï¿œftigen.
Sowas wie Dielektrizitï¿œtskonstante, Verkï¿œrzungsfaktor usw habe ich
damals nï¿œmlich garnicht beachtet. Um so mehr erstaunt bin ich heute das
die Prototypen hier in etwa das machen, was sie sollen..:-)
Also stellt sich fï¿œr mich die Frage, wo denn nun bei diversen
Antennengebilden auf Basismaterial ï¿œberhaupt die Platine mitgerechnet
werden muss.
Denn zum einen haben strahlende Elemente ja auf keinen Fall eine
Masseflï¿œche auf der anderen Platinenseite.
Es handelt sich bei den strahlenden Elementen ja nur um Leiterbahnen
ohne irgendwelche andere Kupferlagen in der Nï¿œhe.
Sie liegen einseitig an FR4, wirken aber mit ebenso groï¿œer Flï¿œche auf Luft.
Dahingehend vermute ich mal, das hier das FR4 zwar fï¿œr Verluste sorgt,
aber ein Verkï¿œrzungsfaktor fï¿œr die Freiraumausbreitung angesetzt werden
mï¿œsste.
Dann wï¿œhren da noch die nicht strahlenden Elemente, welche auf beiden
Seiten Kupfer enthalten.
Als Beispiel seien hier Speiseleitungen ï¿œber GND-Ebene.
Das ist klar...das wird auf FR4-Basis gerechnet.
Interessanter wï¿œhre die Frage in den Fï¿œllen, wo auf der unteren
Kupferebene kein GND liegt, sondern eine Phasenleitung.
Bei einer LPDA also der beidseitig ausgefï¿œhrte Boom, sowie bei
HB9CV-Konstrukten die Phasenleitung.
Da wirkt ja eindeutig das FR4 direkt als Dielektrikum.
Wenn ich aber nun mische, also freie strahler auf Luft und
Phasenleitungen/phasenunterschiedliche Booms auf FR4 berechne, stimmt ja
die gesamte Geometrie nicht mehr.
Oder habe ich den Denkfehler schon bei der Annahme das strahlende
Elemente auf das Medium Luft berechnet werden mï¿œssen?
Grￜￜe aus Dortmund
Jï¿œrgen, DG7GJ
Helmut Wabnig
>Hallo!
>Habe da vor einiger Zeit mal ein paar unbedachte Prototypen versucht:
>LPDA-Antennen auf FR4 ge�tzt.
>Im gro�en und ganzen tun die schon genau das, was sie sollen.
>Haben in dem berechneten Frequenzbereich gute 8-10dB mehr als ein
>Teleskopstrahler sowie eine deutliche Richtwirkung.
>
>Nun wollte ich mich ein wenig n�her mit der Thematik besch�ftigen.
>Sowas wie Dielektrizit�tskonstante, Verk�rzungsfaktor usw habe ich
>damals n�mlich garnicht beachtet. Um so mehr erstaunt bin ich heute das
>die Prototypen hier in etwa das machen, was sie sollen..:-)
>
>Also stellt sich f�r mich die Frage, wo denn nun bei diversen
>Antennengebilden auf Basismaterial �berhaupt die Platine mitgerechnet
>werden muss.
>
>Denn zum einen haben strahlende Elemente ja auf keinen Fall eine
>Massefl�che auf der anderen Platinenseite.
>Es handelt sich bei den strahlenden Elementen ja nur um Leiterbahnen
>ohne irgendwelche andere Kupferlagen in der N�he.
>Sie liegen einseitig an FR4, wirken aber mit ebenso gro�er Fl�che auf Luft.
>
>Dahingehend vermute ich mal, das hier das FR4 zwar f�r Verluste sorgt,
>aber ein Verk�rzungsfaktor f�r die Freiraumausbreitung angesetzt werden
>m�sste.
>
>Dann w�hren da noch die nicht strahlenden Elemente, welche auf beiden
>Seiten Kupfer enthalten.
>Als Beispiel seien hier Speiseleitungen �ber GND-Ebene.
>Das ist klar...das wird auf FR4-Basis gerechnet.
>
>Interessanter w�hre die Frage in den F�llen, wo auf der unteren
>Kupferebene kein GND liegt, sondern eine Phasenleitung.
>
>Bei einer LPDA also der beidseitig ausgef�hrte Boom, sowie bei
>HB9CV-Konstrukten die Phasenleitung.
>Da wirkt ja eindeutig das FR4 direkt als Dielektrikum.
>
>Wenn ich aber nun mische, also freie strahler auf Luft und
>Phasenleitungen/phasenunterschiedliche Booms auf FR4 berechne, stimmt ja
>die gesamte Geometrie nicht mehr.
>
>Oder habe ich den Denkfehler schon bei der Annahme das strahlende
>Elemente auf das Medium Luft berechnet werden m�ssen?
>
>Gr��e aus Dortmund
>
>J�rgen, DG7GJ
Wurzel aus epsilon r ist der Verk�rzungsfaktor ziemlich genau.
LPDAs kannst abmessen
hinten das l�ngste Element (�ber alles) ist die untere Grenze
(lamda halbe)
Obere Grenze beim 3., Dipol von vorne. (lamda halbe)
Jetzt bleiben vorne noch 2 Dipole �brig, deshalb geht
jede LPDA nach oben weiter, aber mit schlechteren Werten,
wogegen nach unten eine ziemlich scharfe Grenze ist.
bei LPDAs mit einem Frequenzbereich von mehr als 1 Oktave
brauchts hinten einen kurzgeschlossenen Stub mit
Lamda achtel von der tiefsten Frequenz, praktisch 1/4
der L�nge des l�ngsten Dipols.
Wenn man das wegl��t, sendet sie auch nach hinten.
Ansonsten tuts eine HF Drossel mit 200 Ohm parallel
zu den Boom Leitungen und man erspart sich den �berstehenden Stub.
Damit hat man die beiden Boom Leitungen DC m��ich auf Masse.
Eine kurzeschlossene lamda achtel Transformationsleitung hat
Z am offenen Ende, exakt genau nat�rlich nur f�r eine Frequenz.
Bei extrem breitbandigen LPDAs mu� man die optimale Stubl�nge
einstellbar machen. Jede solche LPDA hat eine "b�se" Frequenz.
Das SWR von LPDAs ist sehr gut wenn es kleiner 1,7 ist �ber alles,
aber man gibt sich mit 2 zufrieden.
Noch Fragen?
Ach ja, jede LPDA geht auch einigerma�en gut bei dreifacher Frequenz.
w.
Jürgen Hüser
Helmut Wabnig schrieb:
> Wurzel aus epsilon r ist der Verk�rzungsfaktor ziemlich genau.
Soweit ist schon klar. Aber von FR4 oder Luft?
Ich habe die Prototypen damals (so irgendwann 2007 rum) berechnet mit
Luft als Dielektrikum, quasi so das man sie aud Dr�hten zusammenbrutzeln
k�nnte.
Diese Ma�e habe ich jedoch 1:1 auf einem Platine gezeichnet (Bungard FR4).
Erstaunlicher weise funktioniert das halbwegs gut.
Also kann ja nicht sooo viel falsch sein.
Nun aber m�chte ich da noch ein wenig rauskitzeln.
Zumal ich auch Versuche mit anderen Frequenzbereichen, sowie anderen
Antennenformen mal rumtesten will, die man so auf FR4 �tzen kann.
Das FR4 eine wesentliche Dielektrische Wirkung auf HF-f�hrenden
Kupferfl�chen hat ist auf jeden Fall dann gegeben, wenn es zwischen zwei
Kupferlagen mit unterschiedlichen HF-Potentialen ist.
Der Boom bei meinen Antennen geht zB von dem hinterstem
(niederfrequentestem Dipol) komplett zweiseitig durch bis vorne zum
kleinsten Dipol.
An jedem Boom h�ngt eine H�lfte jedes Dipols.
Man sieht die LPDA's also nur wenn man die Platine gegen das Licht h�lt.
Da die Dipole ja nun wesentlich mehr Luft als FR4 in ihrem Umfeld haben,
vermute ich mal das es angemessener w�hre auch hier mit Luft zu rechnen.
Der Boom hingegen besteht aus zwei gegenphasigen HF-Kupferbahnen die
exakt �bereinanderliegen und die FR4 dazwischen haben.
Ein immenser Teil (um nicht zu sagen 100% abz�glich Verluste) der
Feldst�rke breitet sich im Boom eben nicht in Luft, sondern hier halt im
FR4 aus.
Also w�hre hier meine erste �berlegung was anzupassen.
> Noch Fragen?
> Ach ja, jede LPDA geht auch einigerma�en gut bei dreifacher Frequenz.
> w.
Nunja, es geht mir weniger um das Funktionsprinzip und die
Berechnungsgrundlagen von LPDA's und anderen Antennen, als vielmehr die
umsetzung dieser Antennen auf Platine.
Oder anders ausgedr�ckt:
Ein Dipol f�r 1GHz hat eine L�nge von 15cm, also 2x7,5cm.
Auf einer einseitigen Platine m�sste er doch zienmlich exakt die
gleichen Abmessungen haben, da das FR4 ja allerh�chstens ein Anteil von
50% des umgebenen Mediums darstellt. Dazu auch nur maximal 1,5mm dick.
Das Medium Luft sehe ich da wesentlich wichtiger, weil es schlichtweg
mehr Masse darstellt.
Gr��e aus Dortmund
J�rgen, DG7GJ
Michael Koch
> Ein Dipol f�r 1GHz hat eine L�nge von 15cm, also 2x7,5cm.
> Auf einer einseitigen Platine m�sste er doch zienmlich exakt die
> gleichen Abmessungen haben, da das FR4 ja allerh�chstens ein Anteil von
> 50% des umgebenen Mediums darstellt. Dazu auch nur maximal 1,5mm dick.
> Das Medium Luft sehe ich da wesentlich wichtiger, weil es schlichtweg
> mehr Masse darstellt.
Sehe ich auch so, dass es nicht ganz falsch sein kann mit Luft zu rechnen.
Selbst wenn die L�ngen der Dipole nicht exakt stimmen sollten, ist das
doch relativ egal weil es sich um eine Breitband-Antenne handelt. Der
Frequenzbereich wird insgesamt ein Bisschen verschoben. In der Mitte des
Frequenzbereiches sollte sich dadurch gar nichts �ndern.
Oder anders ausgedr�ckt: Wenn ein Dipol nicht die richtige L�nge hat,
dann �bernimmt die Aufgabe eben der benachbarte Dipol.
Gruss
Michael
Dieter Wiedmann
> Ein Dipol f�r 1GHz hat eine L�nge von 15cm, also 2x7,5cm.
> Auf einer einseitigen Platine m�sste er doch zienmlich exakt die
> gleichen Abmessungen haben, da das FR4 ja allerh�chstens ein Anteil von
> 50% des umgebenen Mediums darstellt. Dazu auch nur maximal 1,5mm dick.
> Das Medium Luft sehe ich da wesentlich wichtiger, weil es schlichtweg
> mehr Masse darstellt.
Du liegst da ganz richtig, aber das Platinenmaterial hat nat�rlich schon
einen Einfluss. AN034 von TI wird dich interessieren.
Gru� Dieter
Dieter Wiedmann
> AN034 von TI wird dich interessieren.
Und da gibts noch mehr Futter:
http://www.wirelessworldag.com/de/funkmodule/applikationshinweise/
Gru� Dieter
Christian Zietz
> AN034 von TI wird dich interessieren.
Hast Du einen Link zu dieser Appnote?
Christian
--
Christian Zietz - CHZ-Soft - czietz (at) gmx.net
WWW: http://www.chzsoft.com.ar/
PGP/GnuPG-Key-ID: 0x6DA025CA
Dieter Wiedmann
>> AN034 von TI wird dich interessieren.
>
> Hast Du einen Link zu dieser Appnote?
http://focus.ti.com/lit/an/swra117d/swra117d.pdf
Gru� Dieter
Helmut Wabnig
Eine fraktale F-Antenne :)
sehr sch�n zu sehen
w.
Leo Baumann
Gregor Gronau
Einf�hrung in die Theorie und Technik planarer Mikrowellenantennen in
Mikrostreifenleitungstechnik
Verlagsbuchhandlung Nellissen-Wolff - ISBN 3-922697-21-6
mfG Leo
Leo Baumann
Anpassung total daneben. Selbst ein Verk�rzungsfaktor von 1/sqrt(epsilon r)
liefert unbrauchbare Ergebnisse.
In solchen F�llen muss ein Epsilon-effektiv berechnet werden (siehe
Literaturangabe unten). Gearbeitet wird dann mit einem Verk�rzungsfaktor von
1/sqrt(Epsilon eff) der immerhin dann bei FR 4 0.46 wird.
mfG Leo
Günther Dietrich
>Du liegst da ganz richtig, aber das Platinenmaterial hat natürlich schon
>einen Einfluss. AN034 von TI wird dich interessieren.
Mach' AN043 daraus, dann kann man's auch finden.
Grüße,
Günther
Marte Schwarz
Oben beschreibst Du es richtig und setzt dann Bl�dsinn ein: Dass Epsilon r
von FR4 um die 5 ist, mag sein, aber Epsilon r eff ist bei einer Wellenl�nge
von mehreren cm (AFAIR war von 30 cm in Luft die Rede macht ca 15 cm im FR4.
Bei 1,6 mm FR4 befindet sich also ca 3mm "Luftwellenl�nge" im FR4, also ca
10%. Weil das FR4 nur halbseitig drauf ist darf es auch nur halb gerechnet
werden, bkleiben 5%. Demnach flie�t auch das Epsilon r des FR4 nur zu ca 5%
in das Epsilon r eff ein. Die Antenne m�sste also ca 1,25% verk�rzt werden
gegen�ber der Berechnung in Luft. Das Ergebnis ist also nicht von ungef�hr
mit cer Vernachl�ssigung schon recht genau an der Wahrheit, deswegen
funktioniert es ja auch;-) Die echten HF-Freaks geben sich aber mit
einzelnen GHz nicht mehr ab. Im Bereich ab 10 GHz wird das irgendwann schon
relevanter.
So hab ich das von einem Praktiker gelernt, als ich meine Antenne unter die
Haut zu setzen hatte. Grob gesagt, die H�lfte des Feldes sitzt bei einem
Epsilon R von (AFAIR, ist schon fast 10 Jahre her)ca. 40 macht ein Epsilon r
eff von 20. Das verk�rzt die Antenne dann schon merklich. Da die Umgebung
auch noch verflixt verlustreich ist, will man nicht auch noch wegen der
Fehlanpassung schlechten Funkkontakt haben, zumal im 402 MHz Band auch nur
eine Handvoll �W zur Verf�gung stehen d�rfen.
Marte