Brauchen alle Antennen eine Masseebene?

Eine der häufiger gestellten Fragen, sowohl im Bereich des PCB-Designs als auch im Allgemeinen bezüglich RF-Systemen, betrifft die Verwendung von Masse in der Nähe einer Antenne. Wie ich in anderen Artikeln detailliert beschrieben habe und wie allgemein bekannt ist, bietet ein geerdeter Leiter in der Regel einen gewissen Schutz gegen elektromagnetische Wellen, die sich sonst in ein Material ausbreiten würden. Tatsächlich muss der Leiter nicht wörtlich mit der Erde (Boden) verbunden sein, er muss nur groß genug sein, um als starke Quelle/Senke für überschüssige Ladung zu wirken, um eine ankommende Welle zu neutralisieren.

Ob wir nun über EMI oder Rauschen sprechen, das von einer nahegelegenen Verbindung herrührt, oder über einen großen Emitter auf einer PCB, die Auswirkungen von Masse können dieselben sein und die Anwesenheit von Masse in der Nähe einer Antenne wird die Strahlungseigenschaften des Emitters beeinflussen. Die einfache Antwort auf die Frage, ob eine Antenne eine Masseebene benötigt, lautet „es kommt darauf an;“ Ich werde in diesem Artikel erläutern, warum.

Wie Masse die Strahlung beeinflusst

Nicht alle Antennen benötigen eine Masseebene. Einige Antennen sind über einer Masseebene konzipiert, um ein spezifisches Strahlungsmuster zu erzeugen, die Eingangsimpedanz der Antenne zu steuern oder aus praktischen Gründen der Implementierung.

Elektrisch gesehen dient eine Massefläche unter einer Antenne dazu, einen Bildemitter im Bodenbereich zu erzeugen. Dies wird verwendet, um elektromagnetische Randbedingungen zu erfüllen, bei denen das elektrische Feld an der Massefläche auf null endet. Eine Antenne, die über einer Massefläche angebracht ist, wird nur in den Bereich oberhalb des Bodens abstrahlen. Dies bestimmt dann das Strahlungsmuster, das von der Antenne gesehen würde.
Ein Beispielstrahlungsmuster von einer kleinen Patch-Antenne ist unten dargestellt. In diesem Beispiel folgt die Patch-Antenne den Standardrichtlinien und ist über einer Massefläche platziert. Wie wir sehen können, erfolgt die Emission nur in den Bereich oberhalb der Antenne.

Konzeptionell sollte dies erwartet werden, und es tritt auf, weil die Massefläche wie ein Emitter gleicher Größe, aber entgegengesetzter Polarität wirkt, der seine Strahlung auf die Antenne überlagert. Die Massefläche reflektiert im Wesentlichen Strahlung von der leitfähigen Massefläche, sodass jede Strahlung, die auf die Massefläche zuläuft, reflektiert wird und im Bereich oberhalb der Massefläche bleibt.

Bei alldem im Hinterkopf gibt es gedruckte Antennen, die auf einer Leiterplatte als gedrucktes Element platziert werden können und die keine Masse benötigen. Dies sind üblicherweise Spurantennen, wie eine invertierte-F-Antenne oder eine Viertelwellen-Spurantenne.

Wenn Sie sich Referenzdesigns oder einige andere Richtlinien online ansehen, werden Sie oft feststellen, dass diese über einem Bereich auf der Leiterplatte entworfen wurden, wo der Boden vollständig freigelegt wurde. Die Idee ist, der Antenne zu erlauben, in jede Richtung zu senden. Andere Antennen müssen jedoch direkt unter ihnen einen Boden haben, um das gewünschte Strahlungsmuster zu erzeugen.

Einige Antennen benötigen einen Boden

Sobald wir uns von Monopol-, Dipol- und Schleifenantennen entfernen, können wir einige Beispiele auf Leiterplatten sehen, bei denen Antennen eine Erdungsfläche benötigen, um effektiv zu sein. Hier sind zwei einfache Beispiele, die ich hervorheben werde:

1. Patch-Antennenarrays
2. Slot- oder Kantenstrahler

Beachten Sie, dass es viele weitere Antennenstile gibt, die Sie sich ausdenken könnten, die keine Patch-Arrays oder Kanten-/Slotstrahler sind. Solange Sie einen Hochfrequenz-Simulator (HFSS oder openEMS für die Open-Source-Gemeinschaft) haben, können Sie die Strahlungseigenschaften Ihrer Antenne berechnen.

Zuerst betrachten wir Patch-Antennen und Patch-Antennen-Arrays. Eine einzelne Patch-Antenne ist im Grunde eine offene Resonanzhöhle über einer Masseebene, und diese Antennen strahlen um den Rand des Patches herum ab. Wenn sie in einem Array angeordnet werden, benötigen die Mikrostreifen, die mit den Patches im Array verbunden sind, einen spezifischen Impedanzwert, um eine hohe Strahlungseffizienz zu gewährleisten. Daher benötigen wir die Masse aus zwei Gründen: um die Mikrostreifenimpedanz und die Eigenmoden der Antenne (Resonanzfrequenzen) einzustellen.

Als Nächstes betrachten wir Schlitz- und Kantenstrahler. Diese sind ungewöhnlich, aber sie lassen sich leicht mit einem Mikrostreifen, einem substratintegrierten Hohlleiter, einer koplanaren Streifenleitung mit Masse oder sogar einem Schlitzwellenleiter entwerfen. In diesem Fall ist die Schlitzantenne tatsächlich ein Ausschnitt im Masse-Netz, und die Antenne funktioniert, indem sie durch den Schlitz strahlt. Ein einfaches Beispiel ist eine mikrostreifen-gekoppelte Schlitzantenne, die unten gezeigt wird; der Eingangsmikrostreifen ist impedanzkontrolliert und benötigt Masse auf L2.

Eine kantenemittierende Antenne ist einfach; man platziert einfach eine Öffnung am Rand der Struktur, die die Ausbreitung leitet. Ein Beispiel mit einem substratintegrierten Hohlleiter wird unten gezeigt. Die Anpassung der Randbedingungen am Rand kann schwierig sein, wenn man nicht weiß, wie man Differentialgleichungen löst, aber das ist ein Thema für einen anderen Artikel. Schauen Sie sich das Testboard unten an, um zu sehen, wie dies mit einem substratintegrierten Hohlleiter umgesetzt werden kann.

Da es manchmal schwierig sein kann, die Betriebsbedingungen für einige Antennen zu berechnen, neigen Entwickler dazu, den Ansatz zu verfolgen, einem Referenzdesign oder einer Anwendungsnotiz des Herstellers zu folgen. Obwohl ich den Leuten im Allgemeinen rate, vorsichtig mit diesen Notizen zu sein, will ich sagen, dass die Erdungsrichtlinien im Antennenbereich höchstwahrscheinlich korrekt sind und es wert sind, befolgt zu werden.

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