Toutes les antennes nécessitent-elles un plan de masse ?

L'une des questions les plus courantes que j'ai vues posées, tant en termes de conception de PCB qu'en ce qui concerne les systèmes RF en général, est liée à l'utilisation de la masse près d'une antenne. Comme je l'ai détaillé dans d'autres articles, et comme cela est en effet bien connu, un conducteur relié à la masse offre généralement une certaine protection contre les ondes électromagnétiques qui se propageraient autrement dans un matériau. En fait, le conducteur n'a pas besoin d'être littéralement connecté à la terre (sol), il doit juste être suffisamment grand pour agir comme une source/puits forte d'excès de charge pour neutraliser une onde entrante.

Que nous parlions d'EMI ou de bruit provenant d'une interconnexion proche, ou que nous parlions d'un grand émetteur dans un PCB, les effets de la masse peuvent être les mêmes et la présence de masse près d'une antenne influencera les caractéristiques de radiation de l'émetteur. La réponse simple à la question de "une antenne a-t-elle besoin d'un plan de masse" est "cela dépend ;" je détaillerai pourquoi dans cet article.

Comment la Masse Affecte la Radiation

Toutes les antennes n'ont pas besoin d'un plan de masse. Certaines antennes sont conçues au-dessus d'un plan de masse pour produire un motif de radiation spécifique, contrôler l'impédance d'entrée de l'antenne, ou pour des raisons pratiques de mise en œuvre.

Électriquement, la fonction d'un plan de masse sous une antenne est de créer un émetteur image dans la région du sol. Cela est utilisé pour satisfaire les conditions limites électromagnétiques, où le champ électrique se termine à zéro au niveau du plan de masse. Une antenne qui est au-dessus d'un plan de masse n'émettra que dans la région au-dessus du sol. Cela déterminera alors le motif de rayonnement qui serait observé depuis l'antenne.
Un exemple de motif de rayonnement d'une petite antenne patch est montré ci-dessous. Dans cet exemple, l'antenne patch suit les directives standard et est placée au-dessus d'un plan de masse. Comme nous pouvons le voir, l'émission se fait uniquement dans la région au-dessus de l'antenne.

Conceptuellement, cela devrait être attendu, et cela se produit parce que le plan de masse agit comme un émetteur de magnitude égale, de polarité opposée qui superpose son rayonnement sur l'antenne. Le plan de masse reflète essentiellement le rayonnement du plan de masse conducteur, donc tout rayonnement se dirigeant vers le plan de masse sera réfléchi et restera dans la région au-dessus du plan de masse.

Avec tout cela à l'esprit, il existe des antennes imprimées qui peuvent être placées dans un PCB en tant qu'élément imprimé et qui ne nécessitent pas de masse. Ce sont généralement des antennes à trace, telles qu'une antenne en F inversé ou une antenne à trace quart d'onde.

Si vous regardez des conceptions de référence ou d'autres directives en ligne, vous verrez souvent qu'elles sont conçues sur une région de la PCB où le sol a été totalement dégagé. L'idée est de permettre à l'antenne d'émettre dans toutes les directions. Cependant, d'autres antennes doivent avoir le sol directement sous elles afin de concevoir le motif de rayonnement souhaité.

Certaines antennes doivent avoir un sol

Une fois que nous nous éloignons des antennes monopôle, dipôle et boucle, nous pouvons voir quelques exemples dans les PCB d'antennes qui doivent avoir un plan de masse pour être efficaces. Voici deux exemples simples que je vais mettre en avant ici :

1. Tableaux d'antennes patch
2. Émetteurs à fente ou sur bord

Notez qu'il existe de nombreux autres styles d'antennes que vous pourriez imaginer qui ne sont ni des tableaux de patch ni des émetteurs à fente/bord. Tant que vous disposez d'un simulateur haute fréquence (HFSS ou openEMS pour les adeptes de l'open-source), vous pouvez calculer les caractéristiques de rayonnement de votre antenne.

Tout d'abord, considérons les antennes patch et les réseaux d'antennes patch. Une antenne patch individuelle est essentiellement une cavité résonante ouverte au-dessus d'un plan de masse, et ces antennes émettent autour du bord du patch. Lorsqu'elles sont placées dans un réseau, le microstrip reliant les patches dans le réseau nécessite une valeur d'impédance spécifique pour assurer une haute efficacité de rayonnement. Par conséquent, nous avons besoin du plan de masse pour deux raisons : pour définir l'impédance du microstrip et les modes propres de l'antenne (fréquences de résonance).

Ensuite, examinons les émetteurs à fente et à bord. Ils sont peu communs mais faciles à concevoir avec un microstrip, un guide d'onde intégré au substrat, une ligne coplanaire avec plan de masse, ou même un guide d'onde à fente. Dans ce cas, l'antenne à fente est en fait une découpe dans le réseau de masse, et l'antenne fonctionne en rayonnant à travers la fente. Un exemple simple est une antenne à fente couplée par microstrip montrée ci-dessous ; le microstrip d'entrée est à impédance contrôlée et nécessite un plan de masse sur L2.

Une antenne à émission latérale est simple ; il suffit de placer une ouverture sur le bord de la structure qui guide la propagation. Un exemple avec un guide d'onde intégré au substrat est montré ci-dessous. L'adaptation des conditions aux limites sur le bord peut être difficile si vous ne savez pas résoudre les équations différentielles, mais c’est un sujet pour un autre article. Jetez un œil à la carte de test ci-dessous pour voir comment cela peut être mis en œuvre avec un guide d'onde intégré au substrat.

Parce qu'il peut parfois y avoir des difficultés à calculer les conditions de fonctionnement pour certaines antennes, les concepteurs sont susceptibles d'adopter l'approche consistant à suivre un design de référence ou une note d'application du fabricant. Bien que je conseille généralement aux gens de faire attention à ces notes, je dirai que les directives de mise à la terre dans la région de l'antenne sont très probablement correctes et valent la peine d'être suivies.

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