Pulse Antenna Solutions 

Basics of Pulse Ceramic Chip Antenna

Pulse | 2015

2

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Topics

• Antenna Design Method
• PIFA Antenna Basics
• Considerations of Antenna Implementation 

on PCB 

3

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Antenna Design Method

4

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Simulation / Design Tools

• Mechanical Design:

o

Catia,  I-DEAS, PRO-E, SolidWorks

o

Electrical Design:

o

CST MWS, IE3D, AWR Aplac, AWR MWO,  

Ensemble, HFSS Ansoft Designer



Structural Simulation



Tolerance Analysis



Material Studies

5

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Example of EM simulation model

• W3008 model build using CST MWS

6

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Simulated EM fields (Example: W3010)

Whole PCB is “hot”

7

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

PIFA Antenna Theory

(Ceramic PIFA)

8

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Loaded PIFA Structure

9

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Function of Ground Clearance area / layout

Simulated Surface currents 

(Example: W3010)

10

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Why three pads on board and two on antenna?

• Basic antenna is PIFA type; Feed and GND are 

needed for first electrode

• Antenna pad short circuits the two pads on board
• Board pads are normally kept separate to make 

impedance matching more stable and straight forward

11

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Benefits of “Loaded PIFA”

• Can achieve extremely good efficiency number when properly 

implemented, 90%

• Creates close to omni-directional 3D radiation pattern

– Above mentioned features are due to combination of ceramic 

antenna element and board resonance radiation

• High immunity of frequency detuning due to user tissue (body, hand, 

head) and surrounding mechanics

12

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Considerations of Antenna 

Implementation on PCB 

13

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

PCB effects

• Loaded PIFA antenna is short circuited to PCB ground
• Antenna element electrical length is  λ/4
• PCB has major effect in overall antenna performance 

figures!

– PCB electrical length (examples shown later in this 

presentation)

– Antenna position on board (examples shown later in 

this presentation)

– Grounding points on antenna layout
– PCB layout and size affects on antenna:

• Frequency
• Bandwidth
• Feed impedance
• Total radiation performance

14

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Antenna Placement Recommendations

• Fractions represent wavelengths

15

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Recommended metal object guard distances for ground clearance 
(Example: PIFA type W3010 chip antenna)

2mm clearance

2mm clearance

6.25mm

Metal objects like shield cans 

can be placed on the edge of 

the antenna ground clearance 

area

ANTENNA

10x3.2x2mm

Ground Clearance area

10.6x6.25mm

PWB

10.6mm

6.25mm

Same design rules apply to 

both sides of the PWB, top and 

bottom 

TOP VIEW

Height of metal object has 

effect on antenna performance. 

Over 2mm heigh metallic parts 

decrade antenna performance if 

placed close to antenna.

TOP VIEW

•

Include metallic objects close to antenna into your mock up 
testing as early as possible!  

•

Common Metallic objects : Connector, Switches, Wibra, 
Microphone, Shield cans, Etc.

16

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Recommended metal object guard distances for ground clearance 
(Example: PIFA type W3011 chip antenna)

SIDE VIEW

TOP VIEW

PWB

ANTENNA

3.2x1.6x1.1mm

9x7mm metal free area around the antenna

9mm

7mm

Metal plate

Metal plate

Distance from PWB

6.0mm

Distance from PWB

5.0mm

This information of metallic plate/cover guard distance is indicative only 

and should be concidered as minimum keep out distances. The best 

radiating performance is allways achieved when antenna is in as ”free 

space” condition as possible. It is recommended to use low dielelctric low 

loss plastic covers.

17

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Recommended metal object guard distances for ground clearance 
(Example: PIFA type W3010 chip antenna)

SIDE VIEW

TOP VIEW

PWB

ANTENNA

10x3.2x2mm

15x8mm metal free area around the antenna

15mm

8mm

Metal plate

Metal plate

Distance from PWB

6.0mm

Distance from PWB

5.0mm

This information of metallic plate/cover guard distance is indicative only 

and should be concidered as minimum keep out distances. The best 

radiating performance is allways achieved when antenna is in as ”free 

space” condition as possible. It is recommended to use low dielelctric low 

loss plastic covers.

18

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

“OK to use” antenna position on PWB
(Example: W3010 GPS)

•

Typical board side 35..45 x 35..110mm

•

Each used position may require external matching components and 
ground clearance area modifications for finetuning the impedance 
matching and center frequency tuning

Left or right 

side center:

Best position

Midle third of the 

PWB:

Ok position 

without significant 

change in 

performance

Minimum 5 to 

10mm from top or 

bottom edge: 

Position with about 

0.5..1dB drop in 

performance

Min 5..10mm

Min 5..10mm

Top or bottom end 

of PWB:

Position with about 

0.5 to 1dB drop in 

performance, 

depends on bord 

width, wider is 

better

1.

2.

3.

4.

PREFERRED FEED ORIENTATION, No impact if not mentioned

5.

Min 7..10mm

Top or bottom end 

corner of PWB:

Position with about 

0.5 to 1dB drop in 

performance, 

depends on bord 

width, wider is 

better

19

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

“

NOT OK 

to use” antenna position on PWB

(Example: W3010 GPS)

•

Below mentioned positions will result to poor performance of the 
antenna

Top or bottom 

corner 45deg 

angle:

NOT to use

”Sideways” in 

any position:

NOT to use

6.

7.

Directly on 

corner 

vertically:

NOT to use

Directly on 

corner 

horizontally:

NOT to use

8.

9.

20

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Do’s and Dont’s

•

Do

– Use Pulse footprint recommendation as baseline
– Place enough grounding vias on the edges of the clearance area. Route vias 

through all layers in the board.

– Clear the metal away from all the layers of the board
– Make needed matching and tuning by clearance area changes and external 

mathing components

– Use plastic covers

•

Do 

NOT

– Place antenna directly in the corner of the board
– Place any components or traces on the antenna clearance area (all layers)
– Place metallic covers on top or below the antenna and clearance area

21

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Board edge

• It is ok to have antenna moved couple millimeters 

inwards to PCB

• Ground copper on antenna corners should be chamfered 

to minimize effect on performance

22

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Ground Clearance area shape

• GC-area does not need to be square shaped. Square shape is 

presented in Pulse apps notes as a standard starting point for the 
layout work.

• Arbitrary form GC-areas can be used as long as total area and 

current return path distance is optimized to give correct resonant 
frequency and BW

23

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Consistency of Ground

• Antenna sees the whole PCB as ground plane 

• Overall board dimensions determine the PCB electrical 

length

• Especially around the GC area ground pour needs to be 

solid

• Ground pour does not need to be continued on same 

layer over the whole board. Several layers can be 
connected together with via holes

24

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

Multi-layer board considerations

• Again most critical point on multi-layer layout is the GC 

area surroundings

• All layers around the GC area must be connected 

together to avoid signal coupling/leaking into gaps 
between the layers

• Poorly grounded GC are also causes problems in 

impedance matching and frequency control

• DC voltage layers can be left floating as long as metal of 

that layer does not overlap with the GC area

25

CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY

Pulse Electronics, Inc.

All Rights Reserved.

No Copying or Reproduction Allowed

“THANK YOU”