Exelonix

Bei der Entwicklung intelligenter IoT-Geräte und der Realisierung eines kompakten Produkts mit optimaler Signalleistung und verlängerter Batterielaufzeit sind die richtige Antennenauswahl und Positionierung entscheidende Faktoren, die bereits in einer frühen Phase des Designprozesses berücksichtigt werden müssen. Exelonix, ein deutsches Unternehmen, das drahtlose IoT-Geräte und Software-Services für B2B-Kunden anbietet, befand sich in der ersten Designiteration eines neuen Flotten-Tracking-Geräts. Bereits während der Feldtests zeigte sich jedoch, dass die Hochfrequenz-(RF-)Komponenten nicht wie vorgesehen funktionierten. Das ursprüngliche Design setzte auf eine kostengünstige Standardantenne, die laut Datenblättern und Application Notes eine sehr gute Leistung versprach. In den Feldtests offenbarte sich jedoch eine schwache Übertragungsleistung mit einer zellulären Effizienz von nur 7 % sowie eine leistungsschwache GNSS-Antenne. Zudem wurde deutlich, dass eine Kompensation der geringen Effizienz durch einen Low-Noise-Amplifier (LNA) oder softwareseitige Workarounds die physikalischen Grenzen der ursprünglichen Antennenauswahl und -platzierung nicht überwinden konnte. Daraufhin beauftragte Exelonix TE Connectivity (TE) mit der Analyse der Ursachen und der Entwicklung einer kundenspezifischen Antennenlösung.

TE führte eine eingehende Analyse des ursprünglichen Designs von Exelonix durch, das drei integrierte Antennen (Mobilfunk, GNSS und Bluetooth) umfasste, die auf Basis von Datenblattwerten, Baugröße und Zielkosten ausgewählt worden waren. Das Team entdeckte ein typisches Problem bei IoT-Geräten, das mit einer unzureichenden Größe der Grundplatte zusammenhängt und die RF-Leistung beeinträchtigt. Laut Datenblatt war eine Massefläche von 130 mm × 60 mm erforderlich, um eine Low-Band-Performance von >50 % sowie eine High-Band-Performance von >70 % zu erzielen. Die Projektanforderung sah jedoch lediglich eine Massefläche von 63 mm × 33 mm vor, was zu einer Effizienz von <10 % im Low Band und <40 % im High Band führte.   

"Während Datenblätter häufig ideale Leistungswerte zeigen, sind Antennen in der Praxis von weiteren Komponenten und Materialien umgeben. Die tatsächliche Größe der Massefläche ist dabei oft deutlich kleiner als die Referenz-Massefläche. Das Gerät von Exelonix erforderte eine erheblich größere Massefläche, um eine bessere Effizienz der in die Luft abgestrahlten Energie zu erzielen, anstatt dass diese aufgrund verlustreicher Materialien in Wärme umgewandelt wird“, erläutert Christian Koehler, Senior RF Antenna Product Manager bei TE.

Nach Abschluss der Analyse startete das Engineering-Team von TE den Prototyping- und Designprozess und versuchte zunächst, die bestehende Antenne (Abb. 1) zu modifizieren oder eine leistungsstärkere Standardantenne zu identifizieren, die ein vergleichbares Maß an Kosteneffizienz und Produktionsfreundlichkeit bieten konnte. Die Ergebnisse zeigten eine unzureichende GNSS-Leistung sowie eine schwache Mobilfunkleistung in den Low-Bändern.

Daraufhin wechselte das Team zu einem kundenspezifischen Antennenkonzept (Abb. 2) und integrierte Best Practices aus der Smartphone-Industrie, mit dem Fokus, Bandbreite und Effizienz durch Nutzung der dritten Dimension zu verbessern. In der zweiten Prototyping-Phase entwickelte das Team einen L-förmigen Antennenblock auf Basis der Laser-Direct-Structuring-(LDS-)Technologie. Dieser Block integrierte die Mobilfunk- und GNSS-Antennen und erzielte eine verbesserte Leistung mit einer Effizienz von >20 % im Worst Case, beinhaltete jedoch noch keine Integration von mit Bluetooth-Technologie kompatiblen Antennen.

Aufbauend auf diesem Konzept entwickelte das Team einen U-förmigen LDS-Antennenblock (Abb. 3), der Mobilfunk-, GNSS- sowie mit Bluetooth-Geräten kompatible Antennen integrierte. Dieses Design führte zu einer weiteren Leistungssteigerung durch größeren Abstand zur Massefläche sowie eine bessere Entkopplung der Antennen, um Kopplungseffekte und Signalinterferenzen zu minimieren.

"Wir waren zwar mit dem zweiten Konzept zufrieden, aber wir mussten es auf einen realen Anwendungsfall übertragen und Entfernung, Position und Höhe auf dem Brett bewerten", erklärt Koehler. Er fährt fort: „Unterhalb der Leiterplatte befand sich eine Batterie, die die Effizienz und Bandbreite der Antenne beeinflussen konnte. Daher mussten wir den Abstand zwischen Batterie und Leiterplatte vergrößern.“ Darüber hinaus befand sich unter dem Peilsender ein Metallgehäuse. Das Team nahm das Gehäuse anschließend als Anwendungsbeispiel und platzierte das Tracking-Gerät an verschiedenen Positionen auf der Leiterplatte (Abb. 4). Außerdem wurden unterschiedliche Höhen zwischen dem Gerät und der Massefläche berücksichtigt. Die Auswirkungen auf die HF-Leistung waren beeindruckend. P2 und H1 stellten die anspruchsvollsten Anwendungsfälle dar, daher nutzten wir sie als Referenz, um die Antenne korrekt auszulegen."

Nach einem intensiven Testprozess verschiedener Anwendungsszenarien wurde das finale Design als U-förmige Blockantenne ausgewählt, die Mobilfunkantennen, mit Bluetooth-Geräten kompatible Antennen sowie GNSS-Antennen mit maximalem Abstand zur Massefläche integriert. Die Mobilfunkantenne (Abb. 5) basiert auf der MetaSpan-Antennentechnologie von TE, die einen kleineren Formfaktor ermöglicht und dazu beiträgt, Kopplungseffekte mit benachbarten HF-Komponenten oder anderen Antennen zu vermeiden. Für die Bluetooth-Kompatibilität und die GNSS-Funktionen wurden planare Inverted-F-Antennen (PIFAs) eingesetzt.

Das Design erfüllte nicht nur die strengen Anforderungen von Exelonix, sondern bietet auch eine einfache Montage und eine hohe Wiederholgenauigkeit für die Serienproduktion. Die Haken an der Unterseite des Blocks lassen sich einfach direkt in die Leiterplatte einklinken, und die Antennenenden werden mit Federklemmen verbunden, die auf die Leiterplattenoberfläche gelötet sind. 

Durch die gemeinsame Zusammenarbeit von TE und Exelonix erreichte das finale Antennendesign einen IoT-Formfaktor von 90 × 58 × 15 mm bei einer Effizienz von über 30 % und übertraf damit den Zertifizierungsgrenzwert von über 20 %. Die zuvor schwache GNSS-Leistung verbesserte sich im Szenario mit wiederholtem Tracking auf bis zu 99,9 %, und die Anzahl der mit einer Batterieladung übertragbaren Nachrichten erhöhte sich um nahezu den Faktor 10.

„Wir sind stets bestrebt, die Erwartungen in Bezug auf Markteinführungszeit und Endnutzerzufriedenheit zu übertreffen – nicht nur bei Antennen, sondern auch bei zugehörigen Steckverbindern, Sensoren und der Abschirmung auf Leiterplattenebene“, sagt Koehler. Genau das ist es, was die Kunden von TE erwarten können", erklärt Koehler.