Projektowanie anteny typu Inverted-F dla PCB

Anteny drukowane są bardzo popularną opcją dla PCB RF, ponieważ zachowują niski profil urządzenia płaskiego. Jeśli przyjrzysz się niektórym MCU zdolnym do obsługi Bluetooth/WiFi, prawdopodobnie zobaczysz na krawędzi płytki antenę typu inverted-F, która zapewnia odbiór i nadawanie w kompaktowej formie. W tym artykule pokażę, jak zaprojektować jedną z tych anten, w tym niektóre równania projektowe, oraz gdzie umieścić te anteny, aby zapewnić maksymalną efektywność promieniowania bez zakłóceń dla innych obwodów.

Przegląd anteny typu Inverted-F

Typowa implementacja anteny typu inverted-F jest pokazana na poniższym obrazie. Ten typ anteny to antena o ćwierć długości fali, gdzie parametry operacyjne (szerokość pasma, impedancja itp.) są ustawiane przez dostosowanie geometrii wzdłuż nogi anteny o ćwierć długości fali. Poniżej przedstawiono przegląd typowej anteny typu inverted-F.

Płaszczyzna GND na L2 powinna przebiegać aż do krawędzi GND na L1, a pod anteną nie powinno być żadnego zalania miedzią. Pozwala to antenie promieniować niemal omnidirectionalnie wokół dłuższej nogi anteny, gdzie prąd nie jest równy zero. Chociaż promieniowanie jest omnidirectionalne i zapewniane przez pola brzegowe, zmniejsza to zysk, którego można by oczekiwać od tego typu anteny. Dzięki ich niemal omnidirectionalności, te anteny były dawniej najpopularniejsze do użytku jako anteny jedno- lub dwupasmowe w starszych telefonach komórkowych.

Wariacją na ten temat jest meandrowana antena typu inverted-F, czyli MIFA. Antena ta jest najczęściej widoczna w module ESP8266, który używa dobrze znanego MCU ESP32. Meandrowana antena znajduje się na górnej warstwie i zawiera długi, zygzakowaty odcinek stanowiący część anteny o długości ćwierćfali.

Obie te anteny można porównać z antenami patch, a antena typu inverted-F (lub jej warianty) oferują kilka zalet w porównaniu z podstawową anteną patch:

• Anteny typu inverted-F są mniejsze niż anteny patchowe pracujące na tej samej długości fali
• Anteny typu inverted-F mogą być zasilane przez sondę lub bezpośrednio, pod warunkiem, że obecna jest sieć dopasowująca
• Anteny typu inverted-F mogą być wykonane jako wielopasmowe przez zastosowanie większej liczby gałęzi
• Pasma anten typu inverted-F są porównywalne, ale pasma mogą być łatwiej dostrojone za pomocą elementów pasywnych

Główną wadą jest niższe wzmocnienie w porównaniu z anteną patchową, ponieważ anteny patchowe emitują w półpłaszczyznę nad obszarem ziemi. Inną wadą jest to, że nie można formować anten typu inverted-F w grupy, jak można by to robić z układem anten patchowych. Dlatego, dla bardziej zaawansowanych systemów antenowych, dominują anteny patchowe.

Równania projektowe anteny typu inverted-F

Niestety, nie ma równań projektowych dla anteny typu inverted-F ze względu na jej zwykle złożoną strukturę. Jednakże, ponieważ jest konstruowana z linii transmisyjnych, możemy podejść do obliczania impedancji wejściowej dla danej szerokości mikropaska z perspektywy obwodowej.

Na początku projektant ma wolność wyboru impedancji mikropaska, która ma być użyta w projektowaniu anteny typu inverted-F. Nie ma ścisłego wymogu co do konkretnej szerokości mikropaska, ale należy zauważyć, że impedancja może być bardzo duża, nawet przekraczając wartości impedancji fali rozchodzącej się w próżni lub dielektrykach.

Chociaż charakterystyczną impedancję odcinków ścieżki jest trudno określić, stałą propagacji i całkowitą długość anteny można łatwo określić, opierając się na celu ćwierćfalowego i docelowej częstotliwości:

Po poznaniu stałej propagacji, impedancję wejściową do anteny można obliczyć za pomocą modelu obwodu, o ile znana jest impedancja ścieżki. Poniższy model obwodu pokazuje dwie gałęzie w standardowym układzie anteny typu inverted-F, gdzie jedna noga jest zwarta (Z1 = 0 omów), a druga noga jest otwarta (Z2 = nieskończoność).

Jeśli ustawi się te dwie nogi równolegle i użyje standardowego równania impedancji wejściowej dla każdej nogi, otrzyma się następujący wynik dla impedancji wejściowej anteny:

Po poznaniu impedancji wejściowej, można ją następnie dopasować do linii zasilającej anteny za pomocą sieci dopasowującej impedancję LC.

Element czy wypełnienie miedzi?

Pracując w oprogramowaniu do projektowania PCB, czy powinieneś tworzyć swoją antenę typu inverted-F jako komponent czy jako obszary wypełnienia miedzi? Istnieją dobre powody, by robić to na oba sposoby, i w obu przypadkach uzyskasz ten sam wynik. Osobiście wolę używać komponentu do tworzenia anteny typu inverted-F, ale musi to być wykonane tak, aby dopasować się do określonej grubości zewnętrznej warstwy i wartości Dk.

Aby stworzyć antenę typu inverted-F jako komponent, umieść każdy z elementów miedzianych w antenie jako wylewka w odcisku komponentu. Gdy antena zostanie umieszczona w układzie PCB, łatwiej będzie ją przesuwać i obracać. Upewnij się, że zdefiniowałeś komponent jako Net Tie, aby zapobiec błędom zwarcia i uniknąć pytań od twojego producenta. Minusem jest to, że jeśli potrzebne są jakiekolwiek aktualizacje anteny, muszą one zostać wykonane w odcisku, a następnie odcisk musi zostać zaktualizowany w układzie PCB.

Aby ukończyć ten komponent, umieść pojedynczą podkładkę jako wejście na początku linii zasilającej anteny, która pasuje do pinu na symbolu schematycznym. Następnie połącz komponent na schemacie, tak jak robiłbyś to z innymi komponentami. Gdy komponenty zostaną zaktualizowane na PCB, pojawi się ślad anteny typu inverted-F, który można umieścić i trasować tak jak inne komponenty.

Kiedykolwiek potrzebujesz narysować i umieścić antenę typu inverted-F na swoim układzie PCB, użyj narzędzi CAD 2D i 3D w Altium Designer®. Kiedy skończysz projektowanie i będziesz chciał wysłać pliki do producenta, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.