Conception d'antenne en F inversé pour un PCB

Les antennes imprimées sont une option très populaire pour les PCB RF car elles maintiennent le profil bas d'un dispositif plan. Si vous regardez certains MCU capables Bluetooth/WiFi, vous verrez probablement une antenne en F inversé le long du bord de la carte pour fournir Rx et Tx dans un facteur de forme compact. Dans cet article, je vais montrer comment concevoir l'une de ces antennes, y compris certaines équations de conception, et où placer ces antennes pour une efficacité de rayonnement maximale sans interférence avec d'autres circuits.

Vue d'ensemble de l'antenne en F inversé

L'implémentation typique d'une antenne en F inversé est montrée dans l'image ci-dessous. Ce type d'antenne est une antenne quart de longueur d'onde où les paramètres opérationnels (bande passante, impédance, etc.) sont définis en ajustant la géométrie le long de la jambe quart de longueur d'onde de l'antenne. Une vue d'ensemble d'une antenne en F inversé typique est montrée ci-dessous.

Le plan de masse GND sur L2 devrait s'étendre jusqu'au bord du GND sur L1, et aucune coulée de cuivre ne devrait se trouver sous l'antenne. Cela permet à l'antenne de rayonner presque omnidirectionnellement autour de la jambe la plus longue de l'antenne où le courant n'est pas nul. Bien que le rayonnement soit omnidirectionnel et fourni par des champs de franges, cela réduit le gain que l'on pourrait attendre de ce type d'antenne. Grâce à leur quasi-omnidirectionnalité, ces antennes étaient autrefois les plus populaires pour être utilisées comme antennes mono-bande ou bi-bande dans les anciens téléphones mobiles.

Une variation de cela est l'antenne inversée en F serpentine, ou MIFA. Cette antenne est le plus souvent vue dans le module ESP8266, qui utilise le bien connu MCU ESP32. L'antenne serpentine est sur la couche supérieure et elle comprend un long segment en zigzag constituant la section quart d'onde de l'antenne.

Ces deux antennes peuvent être comparées aux antennes patch, et l'antenne en F inversée (ou ses variantes) offre plusieurs avantages par rapport à une antenne patch basique :

• Les antennes en F inversé sont plus petites que les antennes patch fonctionnant à la même longueur d'onde
• Les antennes en F inversé peuvent être alimentées par sonde ou directement tant qu'un réseau d'adaptation est présent
• Les antennes en F inversé peuvent être rendues multibandes en ajoutant plus de branches
• Les largeurs de bande des antennes en F inversé sont comparables, mais les largeurs de bande peuvent être plus facilement ajustées avec des composants passifs

Le principal inconvénient est le gain plus faible par rapport à une antenne patch car les antennes patch émettent dans le demi-plan au-dessus de la région de sol. L'autre inconvénient est que vous ne pouvez pas former des groupes d'antennes en F inversé comme vous le feriez avec un réseau d'antennes patch. Par conséquent, pour des systèmes d'antennes plus avancés, les antennes patch ont dominé.

Équations de conception d'antenne en F inversé

Malheureusement, il n'existe pas d'équations de conception pour une antenne en F inversé en raison de sa structure typiquement complexe. Cependant, puisqu'elle est construite à partir de lignes de transmission, nous pouvons adopter une approche basée sur les circuits pour calculer l'impédance d'entrée pour une largeur de microbande donnée.

Tout d'abord, le concepteur a la liberté de sélectionner l'impédance du microstrip à utiliser dans la conception de l'antenne en F inversé. Il n'y a pas d'exigence stricte pour une largeur particulière de microstrip, mais il faut noter que l'impédance pourrait être très grande, dépassant même les valeurs d'impédance des ondes se propageant dans le vide ou les diélectriques.

Bien que l'impédance caractéristique des sections de trace soit difficile à déterminer, la constante de propagation et la longueur totale de l'antenne sont faciles à déterminer en se basant sur la cible de la longueur d'onde quart et la fréquence cible :

Une fois la constante de propagation connue, l'impédance d'entrée dans l'antenne peut être calculée avec un modèle de circuit tant que l'impédance de la trace est connue. Le modèle de circuit ci-dessous montre les deux branches dans l'arrangement standard de l'antenne en F inversé, où une branche est court-circuitée (Z1 = 0 Ohms) et l'autre branche est ouverte (Z2 = infini).

Si vous mettez ces deux branches en parallèle et utilisez l'équation d'impédance d'entrée standard pour chaque branche, vous trouverez le résultat suivant pour l'impédance d'entrée de l'antenne :

Une fois l'impédance d'entrée connue, elle peut ensuite être adaptée à la ligne d'alimentation de l'antenne avec un réseau d'adaptation d'impédance LC.

Composant ou remplissage de cuivre ?

Lorsque vous travaillez dans votre logiciel de conception de PCB, devez-vous créer votre antenne en F inversé en tant que composant ou en tant que régions de remplissage en cuivre ? Il y a de bonnes raisons de faire les deux, et vous obtiendrez le même résultat dans les deux cas. Personnellement, je préfère utiliser un composant pour créer une antenne en F inversé, mais cela doit être fait pour correspondre à une épaisseur de couche externe spécifique et à une valeur Dk.

Pour créer une antenne en F inversé en tant que composant, placez chacun des éléments en cuivre de l'antenne comme versement dans l'empreinte du composant. Une fois l'antenne placée dans la conception du PCB, il sera plus facile de déplacer et de faire pivoter l'antenne. Assurez-vous de définir le composant comme un Net Tie pour éviter toute erreur de court-circuit et pour éviter les questions de votre fabricant. L'inconvénient est que, si des mises à jour sont nécessaires pour l'antenne, celles-ci doivent être apportées à l'empreinte, puis l'empreinte doit être mise à jour dans la conception du PCB.

Pour compléter ce composant, placez un seul pad comme entrée au niveau de l'entrée de la ligne d'alimentation sur l'antenne qui correspond à la broche sur le symbole schématique. Ensuite, connectez le composant dans un schéma tout comme vous le feriez pour d'autres composants. Une fois les composants mis à jour dans le PCB, l'empreinte de l'antenne en F inversé apparaîtra, et elle pourra être placée et routée tout comme les autres composants.

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