Czy wszystkie anteny wymagają płaszczyzny masy?

Jedno z częściej zadawanych pytań, zarówno w kontekście projektowania PCB, jak i ogólnie systemów RF, dotyczy użycia masy w pobliżu anteny. Jak szczegółowo opisałem w innych artykułach, i co jest dobrze znane, przewodnik uziemiony ogólnie zapewnia pewną ochronę przed falami elektromagnetycznymi, które w przeciwnym razie propagowałyby się do materiału. W rzeczywistości, przewodnik nie musi być dosłownie połączony z ziemią (ziemią), wystarczy, że jest na tyle duży, aby działać jako silne źródło/pojemnik nadmiarowego ładunku, aby zneutralizować nadchodzącą falę.

Bez względu na to, czy mówimy o EMI czy hałasie pochodzącym z pobliskiego połączenia międzyelementowego, czy mówimy o dużym emiterze na PCB, efekty użycia masy mogą być takie same, a obecność masy w pobliżu anteny będzie wpływać na charakterystyki promieniowania emitera. Prosta odpowiedź na pytanie „czy antena potrzebuje płaszczyzny masy” brzmi „to zależy;” szczegóły wyjaśnię w tym artykule.

Jak Masa Wpływa na Promieniowanie

Nie wszystkie anteny potrzebują płaszczyzny masy. Niektóre anteny są projektowane nad płaszczyzną masy, aby wytworzyć określony wzór promieniowania, kontrolować impedancję wejściową anteny lub z praktycznych powodów implementacji.

Elektrycznie, funkcją płaszczyzny masy pod anteną jest stworzenie w regionie ziemi obrazu emitera. Jest to wykorzystywane do spełnienia warunków granicznych elektromagnetycznych, gdzie pole elektryczne kończy się na wartości zero na płaszczyźnie masy. Antena, która znajduje się nad płaszczyzną masy, będzie emitować tylko w region nad nią. To z kolei określi wzór promieniowania, który można by zaobserwować z anteny.
Przykładowy wzór promieniowania z małej anteny łatki jest pokazany poniżej. W tym przykładzie antena łatka przestrzega standardowych wytycznych i jest umieszczona nad płaszczyzną masy. Jak możemy zobaczyć, emisja odbywa się tylko w regionie nad anteną.

Koncepcyjnie, powinno się tego spodziewać, i dzieje się tak, ponieważ płaszczyzna masy działa jak emiter o równej magnitudzie, ale przeciwnej polarności, który nakłada swoje promieniowanie na antenę. Płaszczyzna masy zasadniczo odbija promieniowanie od przewodzącej płaszczyzny masy, więc każde promieniowanie kierujące się w stronę płaszczyzny masy zostanie odbite i pozostanie w regionie nad płaszczyzną masy.

Z tym wszystkim na uwadze, istnieją anteny drukowane, które mogą być umieszczone na PCB jako element drukowany i które nie wymagają masy. Są to powszechnie anteny śladowe, takie jak antena typu inverted-F lub antena śladowa o ćwierćfali.

Jeśli spojrzysz na projekty referencyjne lub inne wytyczne dostępne online, często zobaczysz, że są one zaprojektowane nad obszarem PCB, gdzie masa została całkowicie usunięta. Pomysł polega na umożliwieniu antenie emisji w dowolnym kierunku. Inne anteny, jednak, muszą mieć masę bezpośrednio pod sobą, aby zaprojektować pożądany wzór promieniowania.

Niektóre anteny muszą mieć masę

Gdy oddalimy się od anten monopolowych, dipolowych i pętlowych, możemy zobaczyć na PCB przykłady anten, które muszą mieć płaszczyznę masy, aby były skuteczne. Oto dwa proste przykłady, które tutaj podkreślę:

1. Tablice anten patch
2. Emisje krawędziowe lub szczelinowe

Zauważ, że możesz wymyślić wiele innych stylów anten, które nie są tablicami patch ani emiterami krawędziowymi/szczelinowymi. Dopóki masz symulator wysokiej częstotliwości (HFSS lub openEMS dla zwolenników oprogramowania open-source), możesz obliczyć charakterystyki promieniowania twojej anteny.

Na początek rozważmy anteny łatowe oraz ich układy. Pojedyncza antena łatowa to w zasadzie otwarta rezonansowa wnęka nad płaszczyzną masy, a te anteny emitują promieniowanie wokół krawędzi łaty. Gdy są umieszczone w układzie, mikropaski łączące łaty w układzie wymagają określonej wartości impedancji, aby zapewnić wysoką efektywność promieniowania. Dlatego potrzebujemy masy z dwóch powodów: aby ustawić impedancję mikropaska oraz własne częstotliwości rezonansowe anteny (eigenmodes).

Następnie przyjrzyjmy się emiterom szczelinowym i krawędziowym. Są one nieczęste, ale łatwe do zaprojektowania przy użyciu mikropaska, zintegrowanego falowodu substratowego, współpłaszczyznowej linii paskowej z masą, a nawet falowodu szczelinowego. W tym przypadku antena szczelinowa to właściwie wycięcie w sieci masy, a antena funkcjonuje, promieniując przez szczelinę. Prostym przykładem jest antena szczelinowa sprzężona z mikropaskiem pokazana poniżej; mikropasek wejściowy jest kontrolowany pod kątem impedancji i wymaga masy na L2.

Antena emitująca krawędziowo jest prosta; wystarczy umieścić otwór na krawędzi struktury, która kieruje propagację. Przykład z zintegrowanym falowodem na podłożu pokazano poniżej. Dopasowanie warunków brzegowych na krawędzi może być trudne, jeśli nie wiesz, jak rozwiązywać równania różniczkowe, ale to temat na inny artykuł. Spójrz na poniższą płytę testową, aby zobaczyć, jak można to zaimplementować z zintegrowanym falowodem na podłożu.

Ponieważ czasami może być trudno obliczyć warunki pracy dla niektórych anten, projektanci mogą podejść do tego, kierując się projektem referencyjnym lub notatką aplikacyjną producenta. Chociaż zazwyczaj radzę ludziom uważać na te notatki, powiem, że wytyczne dotyczące uziemienia w regionie anteny są najprawdopodobniej poprawne i warto ich przestrzegać.

Następnym razem, gdy będziesz potrzebować zaprojektować swoją płytę PCB RF z niestandardową anteną drukowaną i strategią uziemienia, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania produktów w Altium Designer®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.Zobacz najnowsze funkcje w Altium Designer.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.