Progettazione di un'antenna a F invertita per un PCB

Le antenne stampate sono un'opzione molto popolare per i PCB RF poiché mantengono il profilo basso di un dispositivo piano. Se guardate alcuni MCU capaci di Bluetooth/WiFi, probabilmente vedrete un'antenna a F invertita lungo il bordo della scheda per fornire Rx e Tx in un fattore di forma compatto. In questo articolo, mostrerò come progettare una di queste antenne, includendo alcune equazioni di progettazione, e dove posizionare queste antenne per massimizzare l'efficienza di radiazione senza interferenze con altri circuiti.

Panoramica dell'Antenna a F Invertita

L'implementazione tipica di un'antenna a F invertita è mostrata nell'immagine qui sotto. Questo tipo di antenna è un'antenna a quarto di lunghezza d'onda dove i parametri operativi (larghezza di banda, impedenza, ecc.) sono impostati regolando la geometria lungo il tratto di quarto di lunghezza d'onda dell'antenna. Una panoramica di un'antenna a F invertita tipica è mostrata di seguito.

Il piano GND su L2 dovrebbe estendersi fino al bordo del GND su L1, e non dovrebbe esserci alcun riempimento di rame sotto l'antenna. Questo permette all'antenna di irradiare quasi omnidirezionalmente attorno alla gamba più lunga dell'antenna dove la corrente non è zero. Sebbene la radiazione sia omnidirezionale e fornita da campi di sfioramento, ciò riduce il guadagno che ci si aspetterebbe da questo tipo di antenna. Grazie alla loro quasi omnidirezionalità, queste antenne erano precedentemente le più popolari per l'uso come antenne a banda singola o doppia nei vecchi telefoni cellulari.

Una variante di questa è l'antenna invertita a F ondulata, o MIFA. Questa antenna si vede più comunemente nel modulo ESP8266, che utilizza il ben noto MCU ESP32. L'antenna ondulata si trova sullo strato superiore e include un lungo segmento a zig-zag che costituisce la sezione di quarto d'onda dell'antenna.

Entrambe queste antenne possono essere confrontate con le antenne a patch, e l'antenna a F invertita (o le sue varianti) offrono diversi vantaggi rispetto a una antenna a patch di base:

• Le antenne a F invertita sono più piccole delle antenne patch che operano alla stessa lunghezza d'onda
• Le antenne a F invertita possono essere alimentate tramite sonda o direttamente, purché sia presente una rete di adattamento
• Le antenne a F invertita possono diventare multibanda applicando più rami
• Le larghezze di banda delle antenne a F invertita sono paragonabili, ma le larghezze di banda possono essere più facilmente sintonizzate con componenti passivi

Il principale svantaggio è il guadagno inferiore rispetto a un'antenna patch perché le antenne patch emettono nella mezza piana sopra la regione di terra. L'altro svantaggio è che non si possono formare gruppi di antenne a F invertita come si farebbe con un array di antenne patch. Pertanto, per sistemi di antenne più avanzati, le antenne patch hanno dominato.

Equazioni di Progettazione dell'Antenna a F Invertita

Sfortunatamente, non esistono equazioni di progettazione per un'antenna a F invertita a causa della sua struttura tipicamente complessa. Tuttavia, poiché è costruita a partire da linee di trasmissione, possiamo adottare un approccio basato sui circuiti per calcolare l'impedenza di ingresso per una data larghezza del microstrip.

In primo luogo, il progettista ha la libertà di selezionare l'impedenza della microstriscia da utilizzare nel design dell'antenna a F invertita. Non esiste un requisito rigoroso per una particolare larghezza della microstriscia, ma è importante notare che l'impedenza potrebbe essere molto elevata, superando anche i valori dell'impedenza delle onde in propagazione nel vuoto o nei dielettrici.

Sebbene l'impedenza caratteristica delle sezioni di traccia sia difficile da determinare, la costante di propagazione e la lunghezza totale dell'antenna sono facili da determinare basandosi sul target di lunghezza d'onda di un quarto e sulla frequenza target:

Una volta che la costante di propagazione è nota, l'impedenza in ingresso nell'antenna può essere calcolata con un modello di circuito a patto che l'impedenza della traccia sia nota. Il modello di circuito qui sotto mostra i due rami nell'arrangiamento standard dell'antenna a F invertita, dove una gamba è cortocircuitata (Z1 = 0 Ohm) e l'altra gamba è aperta (Z2 = infinito).

Se si impostano questi due rami in parallelo e si utilizza l'equazione standard dell'impedenza in ingresso per ogni gamba, si troverà il seguente risultato per l'impedenza in ingresso dell'antenna:

Una volta che l'impedenza in ingresso è nota, può quindi essere adattata alla linea di alimentazione dell'antenna con una rete di adattamento dell'impedenza LC.

Componente o Riempimento di Rame?

Quando si lavora con il software di progettazione PCB, si dovrebbe creare l'antenna a F invertita come componente o come regioni di riempimento in rame? Ci sono buone ragioni per fare entrambe le cose, e si otterrà lo stesso risultato in entrambi i casi. Personalmente, preferisco usare un componente per creare un'antenna a F invertita, ma questo deve essere fatto per corrispondere a uno specifico spessore del layer esterno e a un valore di Dk.

Per creare un'antenna a F invertita come componente, posizionare ciascuno degli elementi in rame dell'antenna come riempimento nel footprint del componente. Una volta che l'antenna è posizionata nel layout PCB, sarà più facile spostarla e ruotarla. Assicurarsi di definire il componente come un Net Tie per prevenire eventuali errori di cortocircuito e per evitare domande da parte del vostro fabbricante. Lo svantaggio di questo è che, se sono necessari degli aggiornamenti all'antenna, questi devono essere fatti al footprint, e poi il footprint deve essere aggiornato nel layout PCB.

Per completare questo componente, posiziona un singolo pad come ingresso all'entrata della linea di alimentazione sull'antenna che corrisponde al pin sul simbolo schematico. Quindi, collega il componente in uno schema elettrico proprio come faresti con altri componenti. Una volta che i componenti sono aggiornati nel PCB, apparirà l'impronta dell'antenna a F invertita, e può essere posizionata e tracciata proprio come altri componenti.

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