Inverted-F Antennenentwurf für eine Leiterplatte

Gedruckte Antennen sind eine sehr beliebte Option für HF-PCBs, da sie das flache Profil eines planaren Geräts beibehalten. Wenn Sie sich einige Bluetooth/WiFi-fähige MCUs ansehen, werden Sie wahrscheinlich eine invertierte-F-Antenne entlang des Platinenrands bemerken, die Rx und Tx in einem kompakten Formfaktor bereitstellt. In diesem Artikel werde ich zeigen, wie man eine dieser Antennen entwirft, einschließlich einiger Entwurfsgleichungen, und wo diese Antennen für maximale Strahlungseffizienz ohne Interferenzen in andere Schaltkreise platziert werden sollten.

Übersicht über die invertierte-F-Antenne

Die typische Implementierung einer invertierten-F-Antenne wird im Bild unten gezeigt. Diese Art von Antenne ist eine Viertelwellenlängenantenne, bei der die Betriebsparameter (Bandbreite, Impedanz usw.) durch Anpassen der Geometrie entlang des Viertelwellenlängenbeins der Antenne eingestellt werden. Eine Übersicht über eine typische invertierte-F-Antenne wird unten gezeigt.

Die GND-Ebene auf L2 sollte direkt bis zum Rand des GND auf L1 verlaufen, und unter der Antenne sollte kein Kupferauftrag sein. Dies ermöglicht es der Antenne, nahezu omnidirektional um das längere Bein der Antenne herum zu strahlen, wo der Strom nicht null ist. Obwohl die Strahlung omnidirektional ist und durch Randfelder bereitgestellt wird, verringert dies den Gewinn, den man von diesem Antennentyp erwarten würde. Dank ihrer nahezu omnidirektionalen Eigenschaften waren diese Antennen früher die beliebtesten für die Verwendung als Einzelband- oder Dualband-Antennen in älteren Mobiltelefonen.

Eine Variation davon ist die meandrierende invertierte-F-Antenne oder MIFA. Diese Antenne findet man am häufigsten im ESP8266-Modul, das den bekannten ESP32-MCU verwendet. Die meandrierende Antenne befindet sich auf der obersten Schicht und sie umfasst ein langes, zickzackförmiges Segment, das den Viertelwellenabschnitt der Antenne bildet.

Beide Antennen können mit Patch-Antennen verglichen werden, und die invertierte-F-Antenne (oder ihre Varianten) bieten mehrere Vorteile gegenüber einer grundlegenden Patch-Antenne:

• Invertierte-F-Antennen sind kleiner als Patch-Antennen, die bei derselben Wellenlänge betrieben werden
• Invertierte-F-Antennen können mit einer Sonde gespeist oder direkt gespeist werden, solange ein Anpassungsnetzwerk vorhanden ist
• Invertierte-F-Antennen können mehrbandig gemacht werden, indem man mehr Zweige anwendet
• Die Bandbreiten von invertierten-F-Antennen sind vergleichbar, aber die Bandbreiten können mit passiven Bauteilen leichter abgestimmt werden

Der Hauptnachteil ist der geringere Gewinn im Vergleich zu einer Patch-Antenne, da Patch-Antennen in die Halbebene über dem Erdungsbereich abstrahlen. Der andere Nachteil ist, dass man invertierte-F-Antennen nicht wie bei einem Patch-Antennen-Array gruppieren kann. Daher haben bei fortgeschritteneren Antennensystemen Patch-Antennen dominiert.

Designgleichungen für invertierte-F-Antennen

Leider gibt es keine Designgleichungen für eine invertierte-F-Antenne aufgrund ihrer typischerweise komplexen Struktur. Da sie jedoch aus Übertragungsleitungen konstruiert ist, können wir einen schaltungsbasierten Ansatz zur Berechnung der Eingangsimpedanz für eine gegebene Mikrostreifenbreite verwenden.

Zuerst hat der Designer die Freiheit, die Mikrostreifenimpedanz auszuwählen, die im Design der invertierten-F-Antenne verwendet werden soll. Es gibt keine strikte Anforderung für eine bestimmte Breite des Mikrostreifens, aber es sollte beachtet werden, dass die Impedanz sehr groß sein könnte, sogar die Impedanzwerte von propagierenden Wellen im Vakuum oder in Dielektrika übertreffend.

Obwohl die charakteristische Impedanz der Leiterbahnen schwer zu bestimmen ist, lassen sich der Ausbreitungskonstante und die Gesamtlänge der Antenne leicht bestimmen, basierend auf dem Ziel der Viertelwellenlänge und der Ziel-Frequenz:

Sobald die Ausbreitungskonstante bekannt ist, kann die Eingangsimpedanz in die Antenne mit einem Schaltungsmodell berechnet werden, solange die Impedanz der Leiterbahn bekannt ist. Das untenstehende Schaltungsmodell zeigt die zwei Zweige in der Standardanordnung der invertierten-F-Antenne, wobei ein Bein kurzgeschlossen ist (Z1 = 0 Ohm) und das andere Bein offen ist (Z2 = Unendlichkeit).

Wenn Sie diese zwei Beine parallel schalten und die Standardgleichung für die Eingangsimpedanz für jedes Bein verwenden, finden Sie das folgende Ergebnis für die Eingangsimpedanz der Antenne:

Sobald die Eingangsimpedanz bekannt ist, kann sie dann mit einem LC-Impedanzanpassungsnetzwerk an die Antennenspeiseleitung angepasst werden.

Komponente oder Kupferfüllung?

Beim Arbeiten mit Ihrer PCB-Layout-Software, sollten Sie Ihre invertierte-F-Antenne als Komponente oder als Kupferfüllbereiche erstellen? Es gibt gute Gründe, beides zu tun, und in beiden Fällen wird das Ergebnis dasselbe sein. Persönlich bevorzuge ich es, eine Komponente zu verwenden, um eine invertierte-F-Antenne zu erstellen, aber dies muss passend zu einer spezifischen äußeren Schichtdicke und einem Dk-Wert erfolgen.

Um eine invertierte-F-Antenne als Komponente zu erstellen, platzieren Sie jedes der Kupferelemente in der Antenne als Pour im Komponenten-Footprint. Sobald die Antenne in das PCB-Layout eingefügt ist, wird es einfacher, die Antenne zu bewegen und zu drehen. Stellen Sie sicher, dass die Komponente als Net Tie definiert wird, um Kurzschlussfehler zu vermeiden und Fragen von Ihrem Hersteller auszuschließen. Der Nachteil dabei ist, dass, wenn Aktualisierungen an der Antenne benötigt werden, diese am Footprint vorgenommen werden müssen und dann der Footprint im PCB-Layout aktualisiert werden muss.

Um diese Komponente zu vervollständigen, platzieren Sie ein einzelnes Pad als Eingang am Speiseleitungseingang der Antenne, das zum Pin auf dem Schaltungssymbol passt. Verdrahten Sie dann die Komponente in einem Schaltplan, genau wie Sie es mit anderen Komponenten tun würden. Sobald die Komponenten in die PCB aktualisiert sind, erscheint der Footprint der invertierten-F-Antenne, und sie kann platziert und verdrahtet werden wie andere Komponenten.

Wenn Sie eine invertierte-F-Antenne in Ihrem PCB-Layout zeichnen und platzieren müssen, verwenden Sie die 2D- und 3D-CAD-Tools in Altium Designer®. Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, erleichtert die Plattform Altium 365™ die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.