Eine Antenne, die in die Leiterplattenzeichnung passt, muss sich den verfügbaren Raum möglicherweise dennoch mit einer Batterie, einem Gehäuse und Kabeln teilen. Wählen Sie vor der Freigabe der Leiterplatte eine Architektur, die zum Produkt passt, bewahren Sie deren Referenzgeometrie und planen Sie, wie der montierte Prototyp bewertet werden soll.

Beginnen Sie mit dem Referenzdesign des Antennenherstellers und dem verfügbaren Platz im fertigen Produkt. Reservieren Sie anschließend den Strahlerbereich, die Speisestruktur und den Messzugang gemeinsam. Eine späte Änderung an Batterie oder Gehäuse kann diese Entscheidung beeinflussen, selbst wenn das Antennenlayout selbst unverändert bleibt.

Architektur anhand der Produktvorgaben auswählen

Architektur	Wann sie infrage kommt	Was vor dem Layout zu klären ist
Leiterbahnantenne auf der PCB	Auf der Leiterplatte ist Platz für die gewählte Referenzgeometrie, und das Design kann den erforderlichen umgebenden Bereich aufnehmen.	Strahlerform, Lage zur Leiterplattenkante, lagenspezifische Kupferregeln, Speise- und Massegeometrie sowie der Einfluss des Gehäuses.
Chipantenne	Ein geeignetes Herstellerdesign passt zur verfügbaren Leiterplatte und Produktgeometrie.	Das Bauteil ist nur ein Teil des Antennensystems: Vorgeschriebenes Landemuster, umgebenden Freiraum sowie Masse-, Speise- und Anpassungsanordnung prüfen.
Externe Antenne	Eine Antenne außerhalb der Hauptleiterplatte erfüllt die Bauraum- oder Platzierungsvorgaben besser.	Antennenbefestigung, Kabelführung, Steckverbinderzugang und der Einfluss der eingebauten Baugruppe.

Dies sind Ausgangspunkte, keine Rangfolge. Ein kleineres Antennenbauteil bedeutet nicht zwangsläufig einen kleineren reservierten Leiterplattenbereich. Ebenso bringt die Verlagerung einer Antenne außerhalb der Leiterplatte mechanische und kabelbezogene Entscheidungen mit sich, die im Produkt berücksichtigt werden müssen.

Wählen Sie für eine PCB- oder Chipantenne ein Referenzdesign, das der vorgesehenen Anwendung nahe genug kommt, um seine Geometrie und Materialien bewerten zu können. Neben der Kontur ist auch der Leiterplattenaufbau wichtig: Dokumentieren Sie die Annahmen und prüfen Sie Änderungen im Hinblick auf die Anforderungen des Antennendesigns. Weiterführende Informationen zu Entscheidungen über den Lagenaufbau finden Sie unter PCB-Lagenaufbau.

Strahler-Sperrbereich und Speisereferenz getrennt betrachten

Einer der folgenreichsten Layoutfehler besteht darin, „Antennenfreiraum“ als Anweisung zu verstehen, sämtliches Kupfer um den gesamten HF-Pfad herum zu entfernen.

Der Strahler-Sperrbereich ist der Bereich, in dem das gewählte Antennendesign Kupfer, Bauteile oder andere Strukturen einschränkt. Seine Ausdehnung kann sich je nach Lage unterscheiden. Die Speisung hingegen kann auf einen definierten Referenzleiter und eine bestimmte Beziehung zur Antennenmasse angewiesen sein. Wird diese Referenz undifferenziert entfernt, kann sich die Speisestruktur verändern, statt die Antenne geschützt zu werden.

Beantworten Sie anhand der gewählten Referenzzeichnung folgende Fragen:

Auf welchen Lagen gelten unter und um den Strahler Einschränkungen für Kupfer oder Bauteile?
Wo müssen Masse- oder Referenzkupfer in der Nähe von Speisung und Antenne erhalten bleiben?
Wie liegt der Strahler zur Leiterplattenkante und zur übrigen Massegeometrie?
Welche Speise- und Anpassungsanordnung zeigt das Referenzdesign?
Welche Abmessungen, Materialien oder Baugruppenmerkmale unterscheiden sich vom geplanten Produkt?

Übernehmen Sie keine Freiräume, Masseaussparungen oder Anpassungswerte aus einem nicht zugehörigen Antennenbeispiel. Texas Instruments AN043, Infineon AN91445 und Silicon Labs AN1088 beschreiben jeweils bestimmte Designs und Layoutaspekte; ihre Geometrien sind keine austauschbaren Regeln für jede Antenne.

Für den Antennenbereich ist die Referenz der gewählten Antenne maßgeblich. Weiterführende Hinweise zur Fertigung finden Sie unter HF-PCB-Fertigung.

Antennenbereich vor der PCB-Freigabe prüfen

Verwenden Sie eine Basiszeichnung mit Revisionskennung, damit die Prüfenden sowohl das vorgesehene Design als auch etwaige Abweichungen davon erkennen können.

Prüfpunkt	Vor der Freigabe dokumentieren oder prüfen
Strahler-Sperrbereich	Den eingeschränkten Bereich aus dem gewählten Referenzdesign markieren und die ausgeschlossenen Objekte angeben.
Speiserückstrompfad und Referenzkupfer	Zeigen, wo die Speisereferenz und die Antennenmasse erforderlich sind. Prüfen, dass durch den Strahlerfreiraum kein für die Speisung benötigtes Kupfer entfernt wurde.
Lagenspezifische Anforderungen	Einschränkungen und erforderliche Merkmale für jede relevante Kupfer- und Bauteillage dokumentieren.
Gehäuse, Batterie und Kabel	Den Antennenbereich mit den Einbaupositionen benachbarter Produktteile einschließlich der erwarteten Kabelführung vergleichen.
Messstelle	Festlegen, wo die Speisung für die geplante Prototypmessung zugänglich ist und wie sich der Zugang zur vorgesehenen Kalibrierebene verhält.
Basis-Referenzzeichnung	Antennenquelle, Dokument- oder Zeichnungsrevision sowie die relevanten Annahmen zu Leiterplattengeometrie und Materialien dokumentieren.
Dokumentierte Abweichungen	Unterschiede gegenüber der Basis, ihre Gründe und die jeweils vorgeschlagene Prüfung oder Prototypkontrolle auflisten.

Diese Tabelle ist ein Prüfwerkzeug und kein Nachweis dafür, dass ein Design ein Leistungsziel erreicht. Sie macht Änderungen sichtbar, solange noch Zeit bleibt, das Layout oder den Prototypplan zu überarbeiten.

Hypothetisches Beispiel: ein 2,4-GHz-Sensor

Ein kompakter Sensor verwendet eine Referenzantenne eines Herstellers auf seiner PCB. Im ersten mechanischen Layout liegt die Batterie nahe am dokumentierten Antennenbereich, aber außerhalb davon. Das Team dokumentiert die Revision der Referenzzeichnung, die lagenspezifischen Einschränkungen für den Strahler, das Referenzkupfer der Speisung und eine geplante Messstelle an der Speisung.

Später wird die Batterie näher herangerückt, um Platz für ein anderes Baugruppenmerkmal zu schaffen. Die Form der PCB-Antenne hat sich nicht geändert, wohl aber ihre Einbauumgebung. Das Team sollte:

Die neue Batterieposition mit dem dokumentierten Freiraum der Antenne und den Annahmen des Referenzdesigns vergleichen.
Die Verschiebung der Batterie als Änderung dokumentieren, die eine Antennenprüfung erfordert, einschließlich etwaiger daraus resultierender Abweichungen.
Einplanen, den Prototyp mit Batterie und Gehäuse in ihren vorgesehenen Einbaupositionen sowie in einer gegebenenfalls nützlichen Basiskonfiguration zu bewerten.

Die Verschiebung kann die Antenne wesentlich beeinflussen oder auch nicht. Die Prüfung und der vorgeschlagene Test zeigen, was beachtet werden muss; die bloße Nähe der Batterie ist kein Messergebnis.

Messzugang im Prototyp erhalten

Planen Sie den Messzugang, bevor die Leiterplatte freigegeben wird. Legen Sie die vorgesehene Messstelle an der Speisung, die zu ihrem Erreichen benötigte Vorrichtung oder Verbindung und die Kalibrierebene fest, auf die sich das Ergebnis beziehen soll. Halten Sie Referenzkonfiguration und eingebaute Produktkonfiguration eindeutig unterscheidbar, damit Messungen sinnvoll verglichen werden können.

Eine VNA-Messung von S11 beschreibt die Reflexion an der angegebenen Kalibrierebene. Sie ist nützlich, um die Anpassung von Speisung und Antenne zu untersuchen, kann aber für sich genommen weder Strahlungswirkungsgrad, Gewinn, Strahlungsdiagramm, Reichweite noch regulatorische Konformität nachweisen. Massegeometrie, PCB-Material, Gehäuse und Messvorrichtung können die Ergebnisse beeinflussen.

Umgang mit der ersten Messung

Vergleichen Sie den gemessenen Verlauf über das vorgesehene Betriebsband mit den eigenen Akzeptanzkriterien des Projekts. Speichern Sie zu jedem Messdurchlauf die Revisionen von Leiterplatte und Antenne, die Kalibrierebene, die Kabelanordnung, die Bestückung der Anpassungsbauteile sowie die Konfiguration von Gehäuse, Batterie und Kabeln. So wird ein späterer Vergleich aussagekräftig.

Beobachtung am Prototyp	Nächste Frage oder Maßnahme
Der Messverlauf unterscheidet sich zwischen der offenen Leiterplatte und dem eingebauten Produkt.	Prüfen, ob der Messaufbau reproduzierbar ist, und anschließend die dokumentierten mechanischen Konfigurationen vergleichen. Antenne und Anpassung in der vorgesehenen Einbaukonfiguration prüfen.
Die Reflexion liegt über einen Teil des Betriebsbands außerhalb des Projektziels.	Kalibrierung sowie die umgesetzte Speisung, Masse und das Anpassungsnetzwerk anhand des Designs prüfen. Änderungen an Anpassung oder Layout mit dem Antennendesigner besprechen und erneut messen.
Die Reflexion erfüllt das Projektziel, aber die Funkleistung ist weiterhin unzureichend.	Die Anpassung allein zeigt nicht, wie effizient die Antenne abstrahlt. Das vollständige Funksystem prüfen und mit einem geeigneten Strahlungstest die Antennenleistung in der Produktkonfiguration untersuchen.

Diese Beobachtungen lassen für sich genommen nicht auf eine einzelne Ursache schließen. Der Antenna Selection Guide von TI behandelt für seine Beispieldesigns Kalibrierung, Kabeleinflüsse, Reflexionsmessungen und Over-the-Air-Messungen.

Produktspezifische Strahlungsprüfungen und die anwendbare regulatorische Bewertung sind getrennte Tätigkeiten. Informationen zu Messung und Abstimmung vor der Freigabe finden Sie unter Antennenabstimmung und Trimmung.

Fertigungs- und Prototypunterlagen vorbereiten

Halten Sie neben den üblichen PCB-Fertigungsdateien die Prüfzeichnung für die Antenne und die Abweichungsliste für technische Gespräche bereit. Prüfen Sie vor der Einreichung des Designs die Leiterplattenkontur, die Annahmen zum Lagenaufbau und das Kupfer im Antennenbereich anhand der gewählten Referenz. Allgemeine Fertigungsprüfungen werden in den DFM-Richtlinien für das PCB-Layout behandelt.

Beschreiben Sie bei der Anfrage für einen Prototyp alle Anforderungen, die bestätigt werden müssen, und fragen Sie, welche Leistungen im Angebotsumfang enthalten sind. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein Fertigungsangebot HF-Tests oder eine Antennenabstimmung einschließt.

Fordern Sie ein PCB-Angebot an oder kontaktieren Sie APTPCB, um die bereitgestellten Dateien zu besprechen und den Leistungsumfang zu klären.

Primärquellen

Texas Instruments, AN043: Kleine 2,4-GHz-PCB-Antenne, SWRA117D.
Texas Instruments, AN058: Leitfaden zur Antennenauswahl, SWRA161B.
Infineon, AN91445: Richtlinien für Antennendesign und HF-Layout.
Silicon Labs, AN1088: Design mit einer invertierten 2,4-GHz-F-PCB-Antenne.