PCB-Antennendesign: Layout, Materialien und Fertigung

A PCB-Antenne ist eine Kupferleiterbahn oder -struktur, die direkt auf eine Leiterplatte geätzt wird und elektromagnetische Hochfrequenzwellen sendet und empfängt. Sie ist die kostengünstigste Möglichkeit, einem Produkt drahtlose Konnektivität zu verleihen, da sie weder einen Steckverbinder noch ein Kabel oder eine zusätzliche Stücklistenposition benötigt.

Sie ist außerdem der Teil eines Designs, der am wahrscheinlichsten aus Gründen ausfällt, die nichts mit Antennentheorie zu tun haben. Nach unserer Erfahrung bei der Prüfung zurückgesendeter Leiterplatten sind die überwältigende Mehrheit der Probleme mit PCB-Antennen Layoutprobleme: Kupfer, wo keines sein sollte, eine Massefläche, die beim Routen erweitert wurde, oder ein Design ohne verbleibende Toleranz, um normale Fertigungsschwankungen auszugleichen.

Dieser Leitfaden behandelt, was tatsächlich darüber entscheidet, ob eine PCB-Antenne funktioniert: die Sperrzone, das Substrat, das Anpassungsnetzwerk und die Toleranzen, die der Fertigungsprozess verfehlen darf. Er richtet sich an Ingenieure, die ein Funkmodul erhalten haben und dafür sorgen müssen, dass die Antenne auf einer bestimmten Leiterplatte funktioniert.

Wichtige Erkenntnisse – Die wichtigste Regel mit der größten Hebelwirkung ist eine kupferfreie Zone auf jeder Schicht unterhalb und rund um den Strahler. Die meisten Ausfälle von PCB-Antennen lassen sich auf einen Verstoß gegen diese eine Regel zurückführen, meistens durch eine Massefüllung auf einer Innenlage, die in der Ansicht der Außenlage, mit der die meisten Layoutentwickler arbeiten, nicht sichtbar ist. – Die erforderlichen Abstände skalieren mit der Wellenlänge. Eine 433-MHz-Antenne benötigt deutlich mehr Leiterplattenfläche als eine 2,4-GHz-Antenne, und diese Einschränkung wird am häufigsten erst entdeckt, nachdem die Leiterplatte geroutet wurde. – Das Substrat bestimmt über seine Dielektrizitätskonstante die physische Größe der Antenne und über seinen Verlustfaktor, wie viel Leistung als Wärme verloren geht. FR-4 ist bei 2,4 GHz tatsächlich ausreichend. – Lötstoppmaske verstimmt eine PCB-Antenne messbar. Eine begutachtete Messung bei 433 MHz ergab, dass das Entfernen der Maske die Resonanz um 3,5 % nach oben verschob und den Spitzengewinn um 1,2 dB verbesserte. – Die Entwurfsbandbreite ist das Budget zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen. Ein schmalbandiges Design hat kaum Spielraum; ein breitbandiges 2,4-GHz-Design nimmt dieselbe Abweichung auf, ohne dass sie sich bemerkbar macht.

Was ist eine PCB-Antenne?

Eine PCB-Antenne ist eine leitfähige Kupferleiterbahn oder -struktur, die auf eine Leiterplatte geätzt wird. Sie wandelt hochfrequenten Strom in abgestrahlte elektromagnetische Wellen um und wandelt empfangene elektromagnetische Wellen beim Empfang wieder in hochfrequenten Strom um. Die Leiterplatte selbst ist Teil der Strahlungsstruktur.

Dieser letzte Punkt unterscheidet eine PCB-Antenne von jeder anderen Antennenoption. Wenn Sie eine Chipantenne oder einen externen Stab kaufen, wird das Strahlungselement charakterisiert und geprüft geliefert. Wenn Sie eine Leiterbahn ätzen, übernehmen Sie die Verantwortung für die Geometrie und für alles, was sich in ihrer Nähe befindet. Sie kontrollieren den Strahler und zugleich jedes Stück Kupfer, Metall und Kunststoff, das ihn verstimmen kann.

Daraus ergeben sich drei praktische Konsequenzen:

Nichts kann abbrechen. Kein Steckverbinder, kein Kabel, kein Montageschritt. Für ein Produkt, das herunterfallen kann, ist das wichtig.
Die Kosten sind Leiterplattenfläche und Disziplin beim Layout. Sie tauschen Platz und Aufmerksamkeit beim Design gegen geringere Stückkosten.
Die Leistung wird durch Ihr Layout bestimmt, nicht durch ein Datenblatt. Dieselbe Leiterbahn auf zwei verschiedenen Leiterplatten ergibt zwei verschiedene Antennen.

Dieser Kompromiss lohnt sich normalerweise. Eine PCB-Antenne ist die Standardwahl für jedes vernetzte Gerät, bei dem auf der Leiterplatte genügend Platz vorhanden ist und das Entwicklungsteam bereit ist, den Antennenbereich als geschützten Bereich und nicht als routbaren Bereich zu behandeln.

PCB-Antenne vs. Chipantenne vs. externe Antenne

Option	Fußabdruck	Relative Kosten	Was Sie übernehmen
Leiterbahnantenne	Am größten	Niedrigste	Layoutdisziplin und Zeit für die Abstimmung
Chipantenne	Klein	Niedrig	Geringes Abstimmungsrisiko, etwas geringere Effizienz
Externe / FPC-Antenne	Insgesamt am größten	Höchste	Steckverbinder, Kabel und ein Montageschritt

Abschnitt 9 entwickelt dies zu einer vollständigen Entscheidungsmatrix weiter.

PCB-Antennentypen und wann welcher eingesetzt wird

Fünf Antennengeometrien decken nahezu jede Anwendung für PCB-Antennen ab. Die Wahl wird eher davon bestimmt, wie viel Leiterplattenfläche Sie aufgeben können, als davon, welche Form in einem Referenzdesign am besten aussieht.

Typ	Bestimmende Abmessung	Typischer Platzbedarf bei 2,4 GHz	Muster	Am besten geeignet für
Monopol	Viertelwelle über Massefläche	~23-mm-Leiterbahn (Nordic)	Rundstrahlend	Einfachste Integration, größte Bandbreite
Mäanderförmige invertierte F-Antenne (MIFA)	Viertelwelle, gefaltet	7,2 x 11,1 mm	Rundstrahlend	Kompakte vernetzte Geräte, der bewährte Standard
Patch	Halbwelle	Groß	Richtwirkung, hoher Gewinn	GPS, Punkt-zu-Punkt
Dipol	Halbwelle, zwei Arme	Mittel	Symmetrisch omnidirektional	WLAN- und LoRa-Module
Schleife / NFC	Induktiv	Variiert	Nahfeld	RFID und NFC

Die Kompromisse jeweils in einer Zeile:

Monopol. Am einfachsten abzustimmen und am fehlertolerantesten, da er die größte Bandbreite bietet. Benötigt dafür die meiste Länge.
MIFA. Faltet die elektrische Länge in eine kleine Fläche. Für diese Platzeinsparung büßt sie Bandbreite und Effizienz ein, wodurch sie weniger tolerant gegenüber Fertigungsabweichungen ist.
Patch. Bietet Gewinn und Richtwirkung. Benötigt eine durchgehende Massefläche direkt darunter und viel Platz.
Dipol. Symmetrisch und weniger abhängig von der Massefläche, benötigt jedoch einen freien Bereich um beide Arme sowie eine symmetrische Leiterbahnführung.
Schleife und NFC. Ein vollständig anderes Designmodell. Wenden Sie kein GHz-Patch-Modell auf eine induktive Nahfeldschleife an.

Die oben genannten MIFA-Abmessungen stammen aus Infineons Richtlinien für Antennendesign und HF-Layout. Darin wird für 2,4-GHz-Anwendungen mit Mensch-Maschine-Schnittstelle eine 7,2 mm x 11,1 mm große Antenne mit einer Leiterbahnbreite von 20 mil spezifiziert (Infineon AN91445, Dokument 001-91445).

Wie eine Leiterplattenantenne abstrahlt

Eine Antenne strahlt ab, wenn ihre physische Länge einem bestimmten Bruchteil der Wellenlänge des Signals entspricht, und alles auf der Platine in der Nähe dieses Leiters verändert die effektive Länge.

Bei 2,45 GHz beträgt die Freiraumwellenlänge 122,4 mm, eine Viertelwelle ist also 30,6 mm lang. Das ist der Lehrbuchwert. Er sagt jedoch nichts darüber aus, wie lang eine reale gedruckte Leiterbahn sein sollte, denn der Zusammenhang zwischen einer Formel und einer Platine ist weniger direkt, als die meisten Leitfäden vermuten lassen.

Betrachten Sie den anderen Wert, der häufig genannt wird. Teilt man die Freiraum-Viertelwelle durch die Quadratwurzel der Substratdielektrizitätskonstante, erhält man 30,6 / √4,3 = 14,8 mm. Keine der beiden Zahlen beschreibt eine funktionierende Antenne:

√Dk ist der falsche Divisor für eine Leiterbahnantenne. Der Geschwindigkeitsfaktor einer Mikrostreifenleitung hängt von der effektiven Dielektrizitätskonstante ab, nicht vom Volumenwert, und bei einer Leiterbahn über FR-4 diesem effektiven Wert liegt er eher bei 3,0 bis 3,3 als bei 4,3.
Ein Viertelwellen-Monopol über einer Massefläche liegt nahe an der Freiraumlänge, nicht an der Substratlänge. Die Massefläche wirkt als Spiegelebene; Endbelastung und die begrenzte Größe der Massefläche verkürzen die Leiterbahn anschließend noch etwas.

Die veröffentlichte Designrichtlinie von Nordic Semiconductor löst dies mit einer konkreten Zahl: Ein gedrucktes Viertelwellen-Monopol bei 2,4 GHz ist etwa 23 mm lang, wobei ein Mindestabstand von 5 mm zur Massefläche erforderlich ist (Nordic Semiconductor, Allgemeine Richtlinien für das Leiterplattendesign). Das entspricht weder 14,8 mm noch 30,6 mm und ist 55 % länger als die Substratberechnung.

Die praktische Schlussfolgerung: Verwenden Sie die Wellenlängenberechnung als Plausibilitätsprüfung für die Größenordnung und ein Referenzdesign des Herstellers als tatsächlichen Ausgangspunkt. Messen Sie anschließend.

Ein weiterer physikalischer Aspekt ist für alles Folgende wichtig. Die Antenne ist ein Wandler zwischen ungefähr 50 Ohm am Funkchip und 377 Ohm im freien Raum. Jedes Element zwischen diesen beiden Punkten, die Speiseleitung, das Anpassungsnetzwerk und das Substrat, verursacht Verluste. Deshalb ist Kupfer in der Nähe kein nebensächliches Problem: Das Metall koppelt an den Strahler, belastet ihn kapazitiv und verschiebt seine Resonanz.

Regeln für das Layout von Leiterplattenantennen: Sperrbereich, Massefläche und Platzierung

Die Layoutregel, die darüber entscheidet, ob eine Leiterplattenantenne funktioniert, ist eine kupferfreie Zone auf jeder Schicht unter und um den Strahler. Ihre Größe skaliert mit der Wellenlänge, auf der Sie senden.

Hier sehen Sie, was die Herstellerdokumentation tatsächlich vorgibt, und es ist weniger, als Sie vielleicht erwarten.

Abbildung	Quelle	Was tatsächlich gemessen wird
~23 mm Leiterbahnlänge, mindestens 5 mm Abstand zur Massefläche	Nordic Semiconductor	Abstand vom Antennenleiterbahn zur Kante der Massefläche bei 2,4 GHz
L4 auf 19,0 mm verkürzt, um 433–510 MHz auf 868–930 MHz zu verschieben	Texas Instruments SWRA730	Leiterbahnlänge im Verhältnis zum Betriebsband bei einer 43 × 25 mm großen Antenne
Der Antennenbereich kann nicht für andere Leiterbahnführungen verwendet werden	Texas Instruments SWRA730	Qualitatives Verbot, einseitiges Layout
~70 mil Sperrbereich um die HF-Anpassschaltung	Silicon Labs AN928.2	Sperrbereich des Anpassnetzwerks, nicht Antennen-Sperrbereich

Kein Halbleiter- oder Modulhersteller veröffentlicht eine bandweise Sperrbereichstabelle in Millimetern. Jeder Hersteller gibt den Abstand entweder qualitativ, relativ zur Footprint-Zeichnung eines bestimmten Antennenbauteils oder als einzelnen Abstandswert bei einer Frequenz an. Wenn Sie eine Tabelle mit einem bestimmten Millimeterbereich für jedes Band gesehen haben, geht diese mit ziemlicher Sicherheit auf Fertigungsblogs zurück, die sie keinem Herstellerdokument zuordnen. Betrachten Sie eine solche Tabelle als nicht zugeschriebene Faustregel der Branche und nicht als Richtlinie.

Was aus der Dokumentation eindeutig hervorgeht:

Keine Kupferfläche, Massefläche oder Leiterbahn auf irgendeiner Schicht unterhalb des Strahlers. Nordic verlangt eine durchgehend geschlossene Massefläche unter dem HF-Pfad vom Chip-Pad bis zur Antenneneinspeisung und fordert zusätzlich einen Sperrbereich auf der Innenschicht unter der Anpassschaltung. Texas Instruments erklärt, dass der Bereich unter der Antenne nicht für andere Leiterbahnführungen verwendet werden kann.
Der Abstand skaliert mit der Wellenlänge. Dies folgt direkt aus der Physik: Eine Viertelwellenantenne bei 433 MHz ist im freien Raum ungefähr 173 mm lang, verglichen mit 30,6 mm bei 2,45 GHz. Die für eine Sub-GHz-Antenne benötigte Leiterplattenfläche ist daher um ein Mehrfaches größer. Diese Einschränkung wird am häufigsten erst entdeckt, wenn die Leiterbahnführung bereits abgeschlossen ist.
Antenne an einer Platinenkante oder über den Leiterplattenträger hinausragend, wobei der Strahler auf mindestens einer Seite freien Raum hat.
Kein Metall innerhalb des Sperrbereichs. Befestigungsteile, Batteriekontakte, Abschirmgehäuse und Steckergehäuse reflektieren die abgestrahlte Energie zurück zur Antenne.
Die mechanische Anordnung vor dem Abstimmen festlegen. Das Verschieben eines Gehäuses, einer Batterie oder eines Befestigungsdoms nach dem Abstimmen macht die Abstimmung ungültig.

Warum Kupfer unter der Antenne sie verstimmt

Jedes Kupfer unterhalb oder neben dem Strahler koppelt elektromagnetisch an ihn. Die Kopplung fügt parasitäre Kapazität hinzu, belastet die Antenne und zieht ihre Resonanzfrequenz nach unten, während sie gleichzeitig die Impedanzanpassung verschlechtert. Dies ist der zugrunde liegende Mechanismus und der Grund dafür, dass die Regel absolut und nicht nur eine Richtlinie ist: Eine Massefläche, die auf der obersten Schicht harmlos aussieht, bildet auf Schicht drei eine Kondensatorplatte.

Das konkrete Risiko besteht darin, dass Innenlagenflächen in der Außenlagenansicht, mit der die meisten Leiterplattenentwickler arbeiten, unsichtbar sind. Die Lösung besteht darin, den Sperrbereich auf jeder Schicht zu prüfen, nicht nur auf derjenigen, auf der Sie gerade zeichnen.

Materialien und Lagenaufbau von Leiterplattenantennen

Das Substrat bestimmt über seine relative Permittivität die physikalische Größe der Antenne und legt über seinen Verlustfaktor fest, wie viel Leistung als Wärme verloren geht. FR-4 ist bei 2,4 GHz tatsächlich ausreichend.

Zwei Kennzahlen bestimmen die Auswahl, und sie erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Dk bestimmt die Größe: Eine höhere relative Permittivität bedeutet eine kürzere Antenne bei gleicher Frequenz. Df bestimmt die Verluste: Ein höherer Verlustfaktor wandelt mehr Sendeleistung im Dielektrikum in Wärme statt in abgestrahltes Signal um.

Material	Prozess-Dk	Design-Dk	Df bei 10 GHz	Hinweise
Isola 370HR (FR-4)	4,04 bei 2 GHz	nicht verfügbar, konstruktionsabhängig	0,0210 bei 2 GHz	Konstruktionsabhängig; siehe unten
Rogers RO4350B	3,48 ± 0,05	3.66	0.0037	HF-Schaltung
Rogers RO4003C	3,38 ± 0,05	3.55	0.0027	HF im mittleren Frequenzband
Rogers RT/duroid 5880	2.20 ± 0.02	2.20	0.0009	PTFE mit niedriger Permittivität
Rogers RO3003	3.00 ± 0.04	3.1629	0.0010	PTFE

Alle Rogers-Werte sind bei 10 GHz angegeben, wobei 2,5 GHz in Klammern stehen, und jeder Wert ist ein typischer Prozesswert mit einer angegebenen Toleranz (Rogers RO4350B, RO4003C, RT/duroid 5880). Die Isola-Werte stammen von Isolas Produktseite für 370HR, Revision E, datiert auf Juni 2024. Dort wird eine konstruktionsabhängige Messreihe veröffentlicht: Dk beträgt 4,24 bei 100 MHz, 4,17 bei 1 GHz, 4,04 bei 2 GHz sowie 3,92 bei 5 GHz und 10 GHz; Df liegt über denselben Bereich zwischen 0,0150 und 0,0250 (Isola 370HR).

Zwei Dinge in dieser Tabelle verdienen besondere Beachtung.

Es gibt keinen universellen Dk-Wert für FR-4. Isolas eigene veröffentlichten Daten reichen allein aufgrund der Konstruktion ungefähr von 3,54 bis 4,44 und variieren je nach Glasart und Harzanteil. Jeder Satz der Form „FR-4 hat einen Dk von 4,3“ ist nur als Faustregel vertretbar, niemals als Spezifikation. Geben Sie die tatsächliche Type an.

Prozess-Dk und Design-Dk sind unterschiedliche Werte, und ihre Verwechslung ist der häufigste Beschaffungsfehler bei diesem Thema. RO4350B hat einen Prozess-Dk von 3,48 und einen Design-Dk von 3,66. Die Abweichung von 5 % entsteht durch die Kupferoberflächenrauheit und die Behandlung der Kupferfolie in einer fertigen Leiterplatte und wirkt sich sichtbar auf eine simulierte Antenne aus. Verwenden Sie für die Simulation den Design-Wert und für die Fertigung den Prozesswert mit seiner Toleranz. Geben Sie an, welchen Wert Sie verwendet haben.

Die ehrliche Schwelle bei der Materialauswahl: FR-4 funktioniert bei 2,4 GHz. Oberhalb von etwa 5 GHz beginnt der dielektrische Verlust, die tatsächliche Reichweite spürbar zu verringern, und ein verlustarmes Laminat wird spezifikationswürdig. Ein HF-Laminat kann ein schlechtes Layout nicht retten.

Wie Lötstoppmaske die Resonanzfrequenz verschiebt

Die Lötstoppmaske erhöht die effektive Permittivität um die Leiterbahn und verschiebt die Resonanz nach unten. Der gemessene Wert ist größer als die üblicherweise zitierte Faustregel.

Eine begutachtete Messung an einer modifizierten invertierten F-Antenne bei 433 MHz auf 1,6 mm FR-4 ergab, dass das Entfernen der Lötstoppmaskenschichten bei unveränderten übrigen Parametern die Resonanzfrequenz verschob von 433 MHz auf 448 MHz, eine Erhöhung um 3,5 %, und die maximale realisierte Verstärkung um 1,2 dB von -13,8 auf -12,6 dBi verbesserte (Buckley et al., Electronics Letters, Bd. 50, Nr. 8, 2014).

Der weithin kursierende Wert von 1–2 % stammt eher aus Fertigungsblogs als aus Messungen und beträgt ungefähr die Hälfte des veröffentlichten Werts. Bei einer schmalbandigen Anwendung bedeutet eine Verschiebung um 3,5 %, dass sich die Frequenz entweder innerhalb oder außerhalb des Bandes befindet. Die Lösung besteht darin, im Gerber-Layout eine Öffnung der Lötstoppmaske über dem Strahler vorzusehen, wenn das Band so eng ist, dass dies erforderlich ist.

Impedanzanpassung und Abstimmung einer Leiterplattenantenne

Die Abstimmung einer Leiterplattenantenne bedeutet, ihre Impedanz am Funkausgang auf 50 Ohm zu transformieren, und beim Empfang entsprechend umgekehrt, damit die Leistung in die Antenne statt zurück reflektiert zu werden übertragen wird.

Die Akzeptanzgrenze ist ein Rückflussverlust von mindestens 10 dB über das gesamte Band. In der Praxis entspricht 10 dB einem Leistungsverhältnis von zehn: Ein Zehntel der einfallenden Leistung wird reflektiert und 90 % werden übertragen. Die Richtlinien von Infineon für das Antennendesign stellen den Zusammenhang direkt tabellarisch dar: S11 von -10 dB entspricht 10 % reflektierter und 90 % abgestrahlter Leistung, während -20 dB 1 % reflektierter Leistung und -3 dB 50 % reflektierter Leistung entsprechen (Infineon AN91445).

Das praktische Vorgehen:

Messen Sie S11 mit einem Vektornetzwerkanalysator über das gesamte relevante Band.
Lesen Sie die Resonanzfrequenz und die komplexe Impedanz in der Bandmitte ab.
Fügen Sie Anpassungskomponenten hinzu oder ändern Sie diese, bis der Rückflussverlust über das gesamte Band und nicht nur in der Bandmitte mindestens 10 dB beträgt.

Zwei Dinge werden leicht falsch gemacht. Erstens werden die meisten Referenzdesigns von Modulen mit einem Anpassungsnetzwerk aus zwei oder drei Komponenten und bestimmten Bauteilwerten ausgeliefert; diese Werte sind Ausgangspunkte, keine Konstanten, und ändern sich mit Ihrem Lagenaufbau und der Geometrie Ihrer Massefläche. Zweitens sind beide Richtungen wichtig: Stimmen Sie ab, indem Sie vom Chip aus in die Antenne blicken, und indem Sie von der Antenne aus in das Funkmodul blicken.

Achten Sie darauf, das Verhältnis beim Rückflussverlust nicht umzukehren. Ein Rückflussverlust von 10 dB bedeutet, dass 90 % übertragen werden. Eine Verwechslung mit 90 % reflektierter Leistung entspräche etwa 0,46 dB – das wäre eine stark fehlerhafte Antenne und keine funktionierende.

Fertigungsfreundlichkeit: Wie sich Fertigungstoleranzen auf Ihre Antenne auswirken

Der Fertigungsprozess darf innerhalb einer veröffentlichten Toleranz von Ihren Nennmaßen abweichen. Eine Antenne ist der einzige Teil der Leiterplatte, bei dem sich diese Abweichungen als HF-Leistungseinbußen und nicht nur als leicht veränderte Leiterbahn bemerkbar machen.

Der am besten belegte Wert hier ist die Toleranz der Dielektrizitätskonstante des Laminats, da Rogers sie als zentrale Datenblattspezifikation und nicht als statistische Aussage veröffentlicht:

Material	Toleranz des Prozess-Dk	Relative Toleranz	Ungefähre Auswirkung auf die Frequenz
Rogers RO4350B	± 0,05	± 1,4 %	± 0,7 %
Rogers RT/duroid 5880	± 0,02	± 0,9 %	± 0,5 %
Rogers RO3003	± 0,04	± 1,3 %	± 0,7 %

Die relativen Toleranzen und die Auswirkungen auf die Frequenz werden hergeleitet und nicht vom Hersteller angegeben. Die Herleitung ist unkompliziert: Die relative Dk-Toleranz entspricht dem absoluten Toleranzbereich geteilt durch den Nennwert, und die Resonanzfrequenz skaliert mit 1/√Dk. Eine Dk-Bandbreite von ±1,4 % ergibt daher ungefähr eine Verschiebung der Resonanzfrequenz um ±0,7 %.

Was die Antenne außerdem beeinflusst und in welche Richtung:

Ein Ätzuntergriff verkürzt die Leiterbahn und verschiebt die Resonanzfrequenz nach oben. Die Richtung entspricht der Lehrbuchphysik. Keine Primärquelle quantifiziert die Größenordnung, da sie vom Prozess abhängt. Fügen Sie hier keine Zahl ein.
Variation der Dielektrizitätsdicke verändert die effektive Dielektrizitätskonstante, die der Leiterzug sieht, und verschiebt sowohl die Resonanz als auch die Impedanz der Speiseleitung.
Variation der Kupferdicke verändert die Leiterbahnbreite und damit die charakteristische Impedanz.
Dk-Variation von Los zu Los verschiebt die Resonanz nach unten, wie oben hergeleitet.

Was die Ätztoleranz betrifft: Der häufig zitierte Wert “±0.0005 inch” ist kein universell gültiger Standardwert. Die meisten standardmäßigen subtraktiven Verfahren geben einen Prozentsatz statt eines absoluten Werts an, und absolute Werte in dieser Größenordnung gehören zu hochwertigen Feinstleiter- oder Laserverfahren. Ebenso gehen Behauptungen, IPC-4101 schreibe eine bestimmte Dk-Toleranz vor, auf Fabrication-Blogs zurück, die einen kostenpflichtigen Standard paraphrasieren, nicht auf den Standard selbst. Lassen Sie sich die tatsächlichen Werte Ihres Fertigers geben.

Die Konsequenz ist der entscheidende Punkt. Die von Ihnen ausgelegte Bandbreite ist das Budget, das all diese Variationen auffängt. Die 433-MHz-Antenne aus der oben erwähnten Untersuchung zur Lötstoppmaske hatte eine Bandbreite bei 10 dB Rückflussdämpfung von 4,5 MHz, also etwa 1 % ihrer Mittenfrequenz. Ein solches Design hat nahezu keine Reserve für eine Dk-Verschiebung von ±0,7 %. Ein breitbandiges 2,4-GHz-Design, bei dem das von Infineon ausgearbeitete Beispiel S11 über den Bereich von 2,33 bis 2,56 GHz unter -10 dB hält – etwa 200 MHz oder 8 % der Mittenfrequenz –, fängt dieselbe Variation auf, ohne dass sie sich bemerkbar macht.

Dies sind zwei unterschiedliche Antennen bei zwei unterschiedlichen Frequenzen. Lesen Sie den Vergleich daher als Verhältnis und nicht als direkten Vergleich unter gleichen Bedingungen. Der Punkt ist, dass ein Design ungefähr ein Prozent seiner Mittenfrequenz zur Aufnahme von Variationen zur Verfügung hat, während das andere acht Prozent bietet. Dieser Unterschied wird durch die Bandbreite des Designs bestimmt, nicht durch seine Frequenz.

Daraus ergeben sich drei Maßnahmen: spezifizieren Sie eine kontrollierte Impedanz, benennen Sie die Laminatklasse, statt “FR-4” zu schreiben, und fragen Sie Ihren Fertiger nach dessen tatsächlichen Ätz- und Dielektrizitätstoleranzen, bevor Sie das Design festschreiben.

Testen und Messen einer PCB-Antenne

Ein Vektornetzwerkanalysator und fünfzehn Minuten am Labortisch zeigen Ihnen, ob Ihre Antenne funktioniert. Die meisten Fehler werden in einem einzigen Rückflussdämpfungs-Sweep sichtbar.

Es gibt zwei Teststufen, die unterschiedliche Fragen beantworten.

Stufe	Messgerät	Misst	Wer benötigt sie
Labortisch	Vektornetzwerkanalysator	S11, Rückflussdämpfung, Resonanzfrequenz, grobe Effizienz	Fast jeder
Messkammer	Anechoische Kammer	Abstrahlcharakteristik, Verstärkung, TRP, TIS, EIRP	Mobilfunk- und zertifizierte Produkte

Stufe eins erhält hier die meiste Aufmerksamkeit, weil sie praktisch von fast jedem Leser durchgeführt werden kann. Die Bestehenskriterien sind konkret: eine Rückflussdämpfung von 10 dB oder besser über das gesamte Band sowie eine im interessierenden Band zentrierte Resonanzfrequenz. Liegt der Resonanzpeak am Rand Ihres Bands statt in dessen Mitte, ist das Design grenzwertig, selbst wenn es bei der Mittenfrequenz besteht.

Stufe zwei beantwortet Fragen dazu, wie die Antenne in den Raum abstrahlt, und nicht dazu, wie gut sie angepasst ist. Die insgesamt abgestrahlte Leistung misst die über ein Band hinweg beim Senden abgestrahlte Gesamtleistung; die insgesamt isotrope Empfindlichkeit misst die durchschnittliche Empfangsempfindlichkeit über ein Band. Dies sind die Größen, die Zulassungsschemata von Mobilfunkbetreibern für Mobilfunkprodukte bewerten – deshalb sind sie nicht nur technisch, sondern auch kommerziell relevant.

Für beide Stufen gilt eine Regel: Messen Sie in der endgültigen Konfiguration. Die Antenne muss auf dem endgültigen Stackup und im endgültigen Gehäuse gemessen werden, denn nur diese Konfiguration ist aussagekräftig. Ein Ergebnis von einer unbestückten Leiterplatte ist kein aussagekräftiges Ergebnis. Deshalb muss auch das mechanische Layout vor Beginn der Abstimmung festgelegt werden.

Das Bestehen der HF-Messung ist nicht dasselbe wie das Bestehen der Endabnahme. Sobald die Leiterplatte bestückt ist, sind die Fertigungskriterien, die darüber entscheiden, ob sie ausgeliefert wird, eine separate Frage, die in unserem Leitfaden zu den Abnahmekriterien nach IPC-A-610.

PCB-Antenne vs. Chipantenne vs. externe Antenne

Die Wahl zwischen einer Leiterbahnantenne, einer Chipantenne und einer externen Antenne ist ein Abwägen zwischen Platinenfläche, Terminrisiko und Reichweite. Die richtige Antwort hängt davon ab, auf welchen der drei Aspekte Sie am wenigsten verzichten können.

Option	Fußabdruck	Relative Kosten	Relative Effizienz	Integrationsaufwand	Fehlerbild
Leiterbahnantenne	Größte Platinenfläche	Niedrigste	Am besten pro Flächeneinheit	Hoch: diszipliniertes Layout plus Abstimmung	Fällt unbemerkt aus, wenn der Sperrbereich falsch ist
Chipantenne	Klein	Niedrig	Etwas geringer	Gering: minimale Abstimmung	Fällt ebenfalls aus, wenn der Sperrbereich falsch ist
Externe / FPC-Antenne	Größtes Gesamtvolumen	Höchste	Beste Reichweite	Mittel: Steckverbinder und Kabel	Fällt am Steckverbinder aus

Die Entscheidungsregeln:

Ist auf der Platine wirklich genügend Platz vorhanden und rechtfertigt das Volumen den Abstimmungsaufwand? Entscheiden Sie sich für eine Leiterbahnantenne. Sie ist am kostengünstigsten und bietet eine gute Leistung, während der Abstimmungsaufwand nur einmal anfällt.
Ist die Platine klein oder der Zeitplan knapp? Entscheiden Sie sich für einen Chip. Er beseitigt den größten Teil des Abstimmungsrisikos für wenige Cent mehr, wobei die Regeln für den Sperrbereich weiterhin gelten.
Besteht das Gehäuse aus Metall oder sind die Anforderungen an die Reichweite hoch? Entscheiden Sie sich für eine externe Antenne und nehmen Sie den Steckverbinder und das Kabel in Kauf. Aus dem Inneren eines Metallgehäuses lässt sich kein gutes Abstrahlverhalten erzielen.

Beachten Sie, was in der mittleren Spalte dieser Tabelle steht. Eine Chipantenne ist kein Mittel, um die Sperrbereichsregel zu umgehen. Sie ermöglicht es, die Abstimmung einer kundenspezifischen Geometrie zu vermeiden, versagt aber aus demselben Grund wie eine Leiterbahnantenne, wenn sich Kupfer dort befindet, wo es nicht sein sollte.

Häufige Fehler bei PCB-Antennen und ihre Behebung

Die meisten Probleme mit PCB-Antennen lassen sich auf fünf Symptome reduzieren, von denen jedes eine wahrscheinlichste Ursache hat, die Sie innerhalb von weniger als einer Stunde überprüfen können.

Symptom	Wahrscheinlichste Ursache	Die Prüfung	Die Lösung
Gemessene Resonanzfrequenz zu niedrig	Kupfer unter oder neben dem Strahler	Überprüfen Sie den Sperrbereich auf jeder Lage, nicht nur auf der Oberseite	Stellen Sie den Sperrbereich auf allen Lagen her und messen Sie erneut
Gemessene Resonanzfrequenz zu hoch	Die Leiterbahn wurde zu kurz geätzt oder ist kleiner als in der Referenz angenommen	Vergleichen Sie die gefertigten Abmessungen mit den Gerber-Daten	Korrigieren Sie die Leiterbahnlänge oder überprüfen Sie sie anhand der Herstellerreferenz
Rückflussdämpfung gut, Reichweite schlecht	Angepasst, aber ineffizient	Überprüfen Sie, ob sich Metall innerhalb des Sperrbereichs befindet; prüfen Sie den Df-Wert des Substrats für die betreffende Frequenz	Entfernen Sie das Metall; überprüfen Sie, ob der Verlustfaktor angemessen ist
Funktioniert auf dem Labortisch, versagt aber im Gehäuse	Das Gehäuse oder die Beschichtung verstimmt den Strahler	Messen Sie bei geschlossenem Gehäuse	Bewerten Sie die dielektrischen Eigenschaften des Gehäusematerials; versetzen Sie die Antenne
Das Verhalten variiert zwischen den Geräten	Fertigungsschwankungen zehren die Designreserve auf	Vergleichen Sie S11 über mehrere Platinen hinweg	Verbreitern Sie die Bandbreite oder verschärfen Sie die Toleranzvorgabe

Die erste Zeile ist mit Abstand am häufigsten, und die entsprechende Prüfung wird am häufigsten ausgelassen. Eine beim Routen hinzugefügte Massefläche auf einer Lage, die Sie nicht im Blick hatten, erzeugt genau dieses Symptom.

Die vierte Zeile verdient eine Anmerkung. Sie ist der Grund dafür, dass das mechanische Layout vor der Abstimmung festgelegt werden muss. Eine Änderung am Gehäuse nach der Abstimmung ist keine kleine Abweichung; sie kann die Antenne vollständig aus dem Band verstimmen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine PCB-Antenne?

Eine PCB-Antenne ist eine direkt auf eine Leiterplatte geätzte Kupferleiterbahn oder -struktur, die elektromagnetische Hochfrequenzwellen sendet und empfängt. Da die Platine Teil der Strahlungsstruktur ist, bestimmt ihr Layout die Leistung der Antenne ebenso stark wie die Geometrie der Leiterbahn.

Sind externe Antennen besser als interne Antennen?

Für die Reichweite ja, für Kosten, Größe und Zuverlässigkeit nein. Eine externe Antenne strahlt in den freien Raum ab und erzielt typischerweise eine bessere Reichweite, erfordert jedoch einen Steckverbinder, ein Kabel, einen Montageschritt und stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar. Eine interne PCB-Antenne ist günstiger und weniger anfällig für Beschädigungen, büßt jedoch Reichweite ein und benötigt geschützten Platz auf der Platine, um zu funktionieren.

Wie viel Platz auf der Platine benötigt eine PCB-Antenne?

Das hängt fast vollständig von der Frequenz ab, da die Anforderungen an den Freiraum mit der Wellenlänge skalieren. Das 2,4-GHz-Referenzdesign von Nordic verwendet eine etwa 23 mm lange Leiterbahn mit 5 mm Abstand zur Massefläche, während eine Viertelwellenantenne bei 433 MHz im freien Raum etwa 173 mm lang ist. Daher benötigen Sub-GHz-Antennen ein Mehrfaches dieser Fläche.

Kann man eine Massefläche unter einer PCB-Antenne anordnen?

Nein. Kupfer unter dem Strahler koppelt an ihn an, fügt parasitäre Kapazität hinzu und verstimmt ihn. Die Massefläche gehört außerhalb der Grenze des Sperrbereichs, nicht unter die Antenne. Nordic fordert eine durchgängige Masse unter dem HF-Zuführungspfad und separat einen Sperrbereich unter der Anpassungsschaltung.

Beeinflusst Lötstoppmaske die Leistung einer PCB-Antenne?

Ja. Die Lötstoppmaske erhöht die effektive Dielektrizitätskonstante und verschiebt die Resonanz nach unten. Eine begutachtete Messung bei 433 MHz ergab, dass das Entfernen der Maske die Resonanz von 433 MHz auf 448 MHz verschob, also um 3,5 % erhöhte, und den Spitzengewinn um 1,2 dB verbesserte. Bei schmalbandigen Designs sollte über dem Strahler eine Öffnung in der Lötstoppmaske vorgesehen werden.

Wie stimmt man eine PCB-Antenne ab?

Messen Sie S11 mit einem Vektornetzwerkanalysator über das gesamte Band, ermitteln Sie die Resonanzfrequenz und die Impedanz in der Bandmitte und passen Sie anschließend das Anpassungsnetzwerk an, bis die Rückflussdämpfung über das gesamte Band 10 dB überschreitet. Die Bauteilwerte eines Referenzdesigns sind Ausgangswerte, die sich mit Ihrem Leiterplattenaufbau ändern.

Sind PCB-Antennen schwierig zu entwerfen?

Die Theorie ist anspruchsvoll, aber die praktischen Fehlerbilder sind zahlreich begrenzt und spezifisch; es handelt sich fast ausschließlich um Layoutprobleme und nicht um mathematische Probleme. Wenn Sie die Sperrzone auf jeder Lage schützen, die Laminatklasse angeben und vor dem Schließen des Gehäuses messen, wird der größte Teil des Risikos beseitigt.

Benötigen PCB-Antennen spezielle Leiterplattenmaterialien?

Bei 2,4 GHz nicht, da Standard-FR-4 eine ausreichende Leistung bietet. Oberhalb von etwa 5 GHz beginnt der dielektrische Verlust, die Reichweite zu verringern, und die Spezifikation eines verlustarmen Laminats wird sinnvoll. Die Spezifikation eines HF-Laminats kompensiert kein schlechtes Layout, und es gibt keine einheitliche universelle Dielektrizitätskonstante für FR-4, auf die man sich bei der Spezifikation beziehen könnte.

Wo soll ich anfangen?

Überprüfe deine eigene Leiterplatte anhand der Keep-out-Regel, bevor du irgendetwas anderes tust. Prüfe jede Lage auf Kupfer unter und neben dem Strahler, nicht nur die Lage, auf der du gerade zeichnest, und stelle sicher, dass während des mechanischen Layouts kein Metall innerhalb der Freihaltezone gewandert ist.

Benenne anschließend deinen Laminattyp, statt „FR-4“ zu schreiben, und miss S11, bevor das Gehäuse geschlossen wird. Diese drei Schritte in genau dieser Reihenfolge decken die meisten Fehlerquellen auf.

Wenn dein Stackup und dein Leiterplattenentwurf bereits freigegeben sind, können wir den Antennenbereich, die Laminatspezifikation und die Anforderungen an die kontrollierte Impedanz überprüfen, bevor du den Fertigungsauftrag erteilst.

Quellen

Rogers Corporation, RO4350B-Laminate, RO4003C-Laminate, und RT/duroid-5880-Laminate. Prozess- und Design-Dielektrizitätskonstanten mit Toleranzen sowie Verlustfaktoren, angegeben bei 10 GHz (2,5 GHz). Abgerufen am 20.10.2026.
Isola Group, 370HR-Laminat und Prepreg, Revision E, Juni 2024. Konstruktionsabhängige Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor im Bereich von 100 MHz bis 10 GHz, unter Angabe der Prüfverfahren nach IPC-TM-650. Abgerufen am 20.10.2026.
Nordic Semiconductor, Allgemeine Richtlinien für das Leiterplattendesign, für die etwa 23 mm lange gedruckte Viertelwellen-Monopolantenne, den Mindestabstand von 5 mm zur Massefläche und die Forderung nach einer durchgängigen Masse unter dem HF-Pfad mit einer Sperrfläche auf der Innenlage unter der Anpassungsschaltung. Abgerufen am 20.10.2026.
Infineon Technologies, AN91445 Richtlinien für Antennendesign und HF-Layout, Dokument 001-91445, für die Tabelle zu Rückflussdämpfung und reflektierter Leistung, den ausreichenden Schwellenwert von 10 dB, die MIFA-Abmessungen von 7,2 x 11,1 mm bei einer Leiterbahnbreite von 20 mil sowie das ausgearbeitete Breitbandbeispiel bei 2,4 GHz. Abgerufen am 20.10.2026.
J. Buckley, D. Gaetano, K. G. McCarthy, L. Loizou, B. O’Flynn und C. O’Mathuna, „Kompakte 433-MHz-Antenne für Anwendungen in drahtlosen intelligenten Systemen“, Electronics Letters, Bd. 50, Nr. 8, S. 572–574, 10. April 2014, DOI 10.1049/el.2013.4312, für die gemessene Verschiebung der Resonanzfrequenz durch den Lötstopplack von 433 MHz auf 448 MHz, die Verstärkungsänderung von 1,2 dB und die Rückflussdämpfungsbandbreite von 4,5 MHz.
Texas Instruments, SWRA730 Abstimmbare Leiterplattenantenne für 433 bis 930 MHz und 2,4 GHz, Februar 2022, für die Antennenabmessungen von 43 x 25 mm, die Leiterbahnlänge auf L4 von 19,0 mm und das Verbot, Leiterbahnen unter der Antenne zu verlegen.
Silicon Labs, AN928.2 Layout-Design-Leitfaden für EFR32 Series 2, Revision 1.5, für die Sperrflächen in der Anpassungsschaltung von ungefähr 70 mil und 37 mil. Beachte, dass diese für das Anpassungsnetzwerk gelten, nicht für den Antennenstrahler.
47 CFR Part 15, FCC-Regeln für nicht lizenzpflichtige Sender zur Regelung des Betriebs in den ISM-Bändern 902–928 MHz und 2,4–2,5 GHz in den Vereinigten Staaten.
ETSI EN 300 328, für Breitbandübertragungssysteme im 2,4-GHz-ISM-Band in Europa.