Wie berechnet man die Impedanz einer PCB-Trace-Antenne in Altium bei einer bestimmten Frequenz?

Ich halte die Dinge abstrakt, da ich beabsichtige zu lernen und nicht nur ein anderes Design zu kopieren.

Angenommen, ich versuche, eine Antenne mit der Impedanz Z und der Frequenz f zu entwerfen . Jetzt gibt es in Altium 18 eine Funktion, die Leiterbahnbreiten für eine bestimmte Impedanz vorschlägt. Was ich jetzt nicht verstehe ist:

  1. Wie kommt es, dass die Impedanz nicht von der Leiterbahnlänge und nur von der Leiterbahnbreite abhängt ?

  2. Wie kann Altium eine Leiterbahnbreite vorschlagen, ohne dass ich die Frequenz angebe ?

    Ich meine, um die Leiterbahnbreite aus der Impedanz zu berechnen, muss man sicherlich die Arbeitsfrequenz kennen. Ich denke, es wird nur der Widerstand berücksichtigt, aber das würde dann auch von der Länge abhängen?

  3. Gibt es eine Möglichkeit, die Impedanz zwischen zwei beliebigen Punkten auf einer Spur für eine bestimmte Frequenz zu berechnen ? Ich möchte, dass sowohl der Widerstand als auch die Reaktanz dem Design entsprechen .

  4. Wenn es in Altium keinen solchen Weg gibt (was ich vermute), wie entwerfen die Leute dann heutzutage Antennen?

Ich wette, die Antwort auf diese Frage füllt Lehrbücher, weil sie zu allgemein ist. Vielleicht möchten Sie einen einfachen Antennentyp auswählen und eine Designanleitung finden oder Fragen dazu stellen. PCB-Trace-Antenne grenzt es etwas ein, aber ich wette, es gibt immer noch mehrere Formen. Ist die von Ihnen beschriebene Funktion auch ein Vorschlag für Leiterbahnbreiten für Antennen oder nur allgemein? Wenn sie nur die Leiterbahnbreite und nicht die Frequenz betrachten, schätzen sie möglicherweise die ohmsche Impedanz.
Ich denke, die von Ihnen beschriebene Altium-Funktion hängt mit der Impedanz der Übertragungsleitung zusammen, die unabhängig von der Leiterbahnlänge ist. Es gibt sicherlich bessere Designtools für das Antennendesign, zB Keysight ADS, wo man Simulationen durchführen kann.
Danke @KH! Wenn Sie sich auf die Fragen konzentrieren, die im Hauptteil und nicht im Titel stehen, wird die Antwort vermutlich etwas kürzer ausfallen. Ich interessiere mich mehr für die Impedanz, Reaktanz und den Widerstand von Leiterbahnen in meiner Frage für bestimmte Frequenzen in PCBCAD-Software für einen bestimmten Schichtaufbau als für die Antennenformen. Ich denke, das wird die Antwort auch ein wenig eingrenzen. Außerdem gilt die Funktion allgemein für Leiterbahnbreiten.
Danke @LarsHankeln! Kümmert sich das von Ihnen erwähnte Tool auch um den Schichtaufbau, das Übersprechen usw.? Ich meine, importiert es das PCB-Layout? Wenn nicht, ist es dann allgemein üblich, Antennen in einem Antennendesign-Tool zu entwerfen und das Design dann in einer PCBCAD-Software zu verwenden?

Antworten (2)

Wie kommt es, dass die Impedanz nicht von der Leiterbahnlänge und nur von der Leiterbahnbreite abhängt?

Diese Frage wurde schon mehrfach gestellt und beantwortet. Zum Beispiel:

Wie kann eine Leiterbahn unabhängig von Länge und Signalfrequenz eine Impedanz von 50 Ohm haben?

Sollte jede HF-führende Leiterbahn eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm haben? Wie?

Wie ist ein Kabel mit xΩ-Impedanz definiert?

Der entscheidende Punkt ist, dass Sie die charakteristische Impedanz (das Verhältnis von Spannung zu Strom für ein sich auf einer Spur ausbreitendes Signal) nicht mit der Impedanz eines Schaltungszweigs (dem Verhältnis von Spannung zu Strom, der durch diesen Zweig fließt) verwechseln sollten .

Wie kann Altium eine Leiterbahnbreite vorschlagen, ohne dass ich die Frequenz angebe?

Die charakteristische Impedanz hängt von der Balance zwischen Induktivität und Kapazität pro Längeneinheit der Leiterbahn ab. Daher ändert es sich (in einer Annäherung erster Ordnung) bei verschiedenen Frequenzen nicht.

Gibt es eine Möglichkeit, die Impedanz zwischen zwei beliebigen Punkten auf einer Spur für eine bestimmte Frequenz zu berechnen?

Die charakteristische Impedanz einer Leiterbahn ist nicht die gleiche wie die Impedanz zwischen zwei Punkten auf der Leiterbahn. Es ist das Verhältnis von Spannung zu Strom, das erforderlich ist, damit sich ein Signal entlang der Spur ausbreitet.

Wenn die Spur lang genug ist, dass die charakteristische Impedanz wichtig ist, können Sie die "Impedanz zwischen zwei beliebigen Punkten auf einer Spur" nicht wirklich definieren, da zwischen dem Anlegen eines Stromsignals an einem Punkt und dem Anlegen einer Spannung eine Verzögerung auftritt wird an der anderen Stelle entwickelt. Außerdem hängt die Spannung nicht nur von den Positionen auf der Leiterbahn ab, sondern auch davon, was sonst noch mit den Leiterbahnenden verbunden ist.

Stattdessen können Sie eine Streumatrix (oder S-Matrix oder S-Parameter) für das Spurstück definieren. Oder Sie können Z-, Y- oder ABCD-Parameter definieren, die alle gleichwertig sind.

Wenn es in Altium keinen solchen Weg gibt (was ich vermute), wie entwerfen die Leute dann heutzutage Antennen?

In jedem Fall möchten Sie nicht die Altium-Schätzung für die Leiterbahnbreite verwenden, um eine bestimmte Impedanz zu erreichen, um eine Antenne zu entwerfen. Altium geht davon aus, dass Sie das Signal auf Ihre Leiterbahn (und Masseebene) beschränken möchten, anstatt Strahlung zu verursachen. Wenn Sie eine Antenne entwerfen, möchten Sie ein abgestrahltes Signal, kein begrenztes Signal.

Sie können ein Tool wie HFSS verwenden , um eine Antenne zu entwerfen.

Oder Sie können verschiedene Ad-hoc-Methoden verwenden, die HF-Ingenieuren bekannt sind (z. B. könnten Sie einfach eine Antenne entwerfen, von der Sie wissen, dass sie zu lang für Ihre gewünschte Frequenz ist, und sie zurückschneiden, bis sie auf der gewünschten Frequenz schwingt).

Vielen Dank an Sie @ThePhoton ! Tolle Erklärung! Ich werde sicherlich Ihren Rat befolgen, Altium nicht für das Antennendesign zu verwenden.

1. Wie kommt es, dass die Impedanz nicht von der Leiterbahnlänge und nur von der Leiterbahnbreite abhängt?

Es gibt zwei Arten von Impedanzen: Die (übliche) ohmsche Impedanz ist nur von der Leiterbahnlänge abhängig. Die Wanderwellenimpedanz ist nur abhängig von der Leiterbahnbreite (Die Welle "sieht" nur, was neben ihrer Ausbreitungsrichtung ist, nicht was vor ihr liegt).

2. Wie kann Altium eine Leiterbahnbreite vorschlagen, ohne dass ich die Frequenz spezifiziere?...

Der Wellenwiderstand ist nahezu frequenzunabhängig. Denken Sie an Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe (Frequenz), die sich in Luft auf die gleiche Weise ausbreiten. Die Wellenimpedanz ist nur abhängig von der Geometrie.

3. Gibt es eine Möglichkeit, die Impedanz zwischen zwei beliebigen Punkten auf einer Spur für eine bestimmte Frequenz zu berechnen? Ich möchte, dass sowohl der Widerstand als auch die Reaktanz dem Design entsprechen.

Impedanzen zwischen zwei beliebigen Punkten der Welt können berechnet werden. Wenn Sie mit (Hochfrequenz-)Wellen arbeiten, möchten Sie möglicherweise Streuparameter und Reflexionskoeffizienten anstelle von Widerständen und Reaktanzen berechnen.

4. Wenn es bei Altium keinen solchen Weg gibt (was ich vermute), wie entwerfen die Leute dann heutzutage Antennen?

Altium Designer bietet keine Antennendesign-Tools. Aber es kann die Wellenimpedanz einer Leiterbahn berechnen, die eine Antennenstruktur speist.

Wie berechnet man die Impedanz einer PCB-Trace-Antenne in Altium bei einer bestimmten Frequenz?
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