Tutte le antenne necessitano di un piano di massa?

Una delle domande più comuni che ho visto fare, sia in termini di progettazione di PCB sia riguardo ai sistemi RF in generale, è relativa all'uso della massa vicino a un'antenna. Come ho dettagliato in altri articoli, e come è effettivamente ben noto, un conduttore collegato a massa offre generalmente una certa schermatura contro le onde elettromagnetiche che altrimenti si propagherebbero in un materiale. Infatti, il conduttore non ha bisogno di essere letteralmente connesso alla terra (ground), ha solo bisogno di essere abbastanza grande da agire come una forte fonte/pozzo di carica in eccesso per neutralizzare un'onda in arrivo.

Parliamo di EMI o di rumore originato da un collegamento vicino, o stiamo parlando di un grande emettitore in un PCB, gli effetti della massa possono essere gli stessi e la presenza della massa vicino a un'antenna influenzerà le caratteristiche di radiazione dell'emettitore. La risposta semplice alla domanda "un'antenna ha bisogno di un piano di massa?" è "dipende"; spiegherò il motivo in questo articolo.

Come la Massa Influenza la Radiazione

Non tutte le antenne necessitano di un piano di massa. Alcune antenne sono progettate sopra un piano di massa per produrre un modello di radiazione specifico, controllare l'impedenza di ingresso dell'antenna, o per ragioni pratiche di implementazione.

Elettricamente, la funzione di un piano di massa sotto un'antenna è quella di creare un emettitore immagine nella regione di terra. Questo viene utilizzato per soddisfare le condizioni al contorno elettromagnetiche, dove il campo elettrico termina a zero sul piano di massa. Un'antenna che si trova sopra un piano di massa emetterà solo nella regione sopra il suolo. Questo determinerà quindi il modello di radiazione che sarebbe visibile dall'antenna.
Un esempio di modello di radiazione da una piccola antenna a patch è mostrato di seguito. In questo esempio, l'antenna a patch segue le linee guida standard ed è posizionata sopra un piano di massa. Come possiamo vedere, l'emissione avviene solo nella regione sopra l'antenna.

Concettualmente, questo dovrebbe essere previsto, e si verifica perché il piano di massa agisce come un emettitore di magnitudine uguale e polarità opposta che sovrappone la sua radiazione sull'antenna. Il piano di massa riflette essenzialmente la radiazione dal piano di massa conduttivo, quindi qualsiasi radiazione che viaggia verso il piano di massa verrà riflessa e rimarrà nella regione sopra il piano di massa.

Con tutto ciò in mente, esistono antenne stampate che possono essere posizionate in un PCB come elemento stampato e che non richiedono terra. Queste sono comunemente antenne tracciate, come un'antenna a F invertita o un'antenna tracciata a quarto d'onda.

Se guardi i progetti di riferimento o altre linee guida online, spesso vedrai che questi sono progettati su una regione del PCB dove il terreno è stato completamente rimosso. L'idea è permettere all'antenna di emettere in qualsiasi direzione. Altre antenne, tuttavia, devono avere il terreno direttamente sotto di esse per ingegnerizzare il modello di radiazione desiderato.

Alcune Antenne Devono Avere il Terreno

Una volta allontanati dalle antenne monopolo, dipolo e ad anello, possiamo vedere alcuni esempi nei PCB di antenne che devono avere un piano di massa per essere efficaci. Ci sono due semplici esempi che evidenzierò qui:

1. Array di antenne a patch
2. Emettitori a fessura o bordo

Nota che ci sono molti altri stili di antenne che potresti immaginare che non sono array a patch o emettitori a bordo/fessura. Finché hai un simulatore ad alta frequenza (HFSS o openEMS per gli appassionati dell'open-source), puoi calcolare le caratteristiche di radiazione della tua antenna.

Prima, consideriamo le antenne a patch e gli array di antenne a patch. Un'antenna a patch individuale è sostanzialmente una cavità risonante aperta sopra un piano di massa, e queste antenne emettono intorno al bordo del patch. Quando inserite in un array, il microstrip che si collega ai patch nell'array richiede un valore di impedenza specifico per garantire un'alta efficienza di radiazione. Pertanto, abbiamo bisogno del piano di massa per due motivi: per impostare l'impedenza del microstrip e le eigenmode dell'antenna (frequenze risonanti).

Successivamente, diamo un'occhiata agli emettitori a slot e a bordo. Questi sono poco comuni ma sono facili da progettare con un microstrip, una guida d'onda integrata nel substrato, una stripline coplanare con massa, o anche una guida d'onda a slot. In questo caso, l'antenna a slot è in realtà un'incisione nella rete di massa, e l'antenna funziona irradiando attraverso lo slot. Un esempio semplice è un'antenna a slot accoppiata a microstrip mostrata di seguito; il microstrip di ingresso ha un'impedenza controllata e necessita di massa su L2.

Un'antenna a emissione laterale è semplice; basta posizionare un'apertura sul bordo della struttura che guida la propagazione. Di seguito è mostrato un esempio con una guida d'onda integrata nel substrato. Il rispetto delle condizioni al contorno sul bordo può essere difficile se non si sa come risolvere le equazioni differenziali, ma questo è un argomento per un altro articolo. Dai un'occhiata alla scheda di test qui sotto per vedere come può essere implementato con una guida d'onda integrata nel substrato.

Poiché a volte può essere difficile calcolare le condizioni operative per alcune antenne, i progettisti tendono a seguire il metodo di un design di riferimento o di una nota applicativa del produttore. Anche se generalmente consiglio di fare attenzione con queste note, dirò che le linee guida per la messa a terra nella regione dell'antenna sono molto probabilmente corrette e vale la pena seguirle.

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