Нужна ли заземляющая плоскость всем антеннам?

Одним из наиболее часто задаваемых вопросов, как в контексте проектирования печатных плат, так и в отношении радиочастотных систем в целом, является использование заземления рядом с антенной. Как я подробно описывал в других статьях, и как хорошо известно, заземленный проводник обычно обеспечивает некоторую защиту от электромагнитных волн, которые в противном случае распространялись бы в материал. Фактически, проводнику не обязательно нужно быть физически соединенным с землей (почвой), ему просто нужно быть достаточно большим, чтобы действовать как мощный источник/сток избыточного заряда для нейтрализации входящей волны.

Будь то электромагнитные помехи или шум, исходящий от близлежащего соединения, или мы говорим о большом излучателе на печатной плате, эффекты от заземления могут быть одинаковыми, и наличие заземления рядом с антенной повлияет на характеристики излучения излучателя. Простой ответ на вопрос «нужна ли антенне земляная плоскость» — «это зависит»; я подробно объясню почему в этой статье.

Как Заземление Влияет на Излучение

Не все антенны требуют земляной плоскости. Некоторые антенны разработаны над земляной плоскостью для создания определенного узора излучения, контроля входного импеданса антенны или по практическим причинам реализации.

Электрически функция заземляющей плоскости под антенной заключается в создании зеркального излучателя в области земли. Это используется для удовлетворения граничных условий электромагнетизма, где электрическое поле уменьшается до нуля на заземляющей плоскости. Антенна, расположенная над заземляющей плоскостью, будет излучать только в область над собой. Это определит радиационный узор, который можно будет наблюдать от антенны.
Пример радиационного узора от небольшой патч-антенны показан ниже. В этом примере патч-антенна следует стандартным рекомендациям и размещена над заземляющей плоскостью. Как мы видим, излучение направлено только в область над антенной.

Концептуально это следует ожидать, и это происходит потому, что заземляющая плоскость действует как излучатель равной величины, но противоположной полярности, который накладывает свое излучение на антенну. Заземляющая плоскость по сути отражает излучение от проводящей заземляющей плоскости, так что любое излучение, направленное к заземляющей плоскости, будет отражено и останется в области над заземляющей плоскостью.

С учетом всего этого, существуют печатные антенны, которые могут быть размещены на печатной плате как печатный элемент и которые не требуют заземления. К ним обычно относятся антенны с трассировкой, такие как антенна с инвертированным F или четвертьволновая трассовая антенна.

Если вы посмотрите на эталонные конструкции или другие руководства в интернете, вы часто увидите, что они разработаны над областью на печатной плате, где земля полностью очищена. Идея заключается в том, чтобы позволить антенне излучать в любом направлении. Однако другие антенны должны иметь землю непосредственно под собой, чтобы создать желаемый радиационный узор.

Некоторым антеннам необходима земля

Как только мы отходим от монопольных, дипольных и петлевых антенн, мы можем увидеть некоторые примеры на печатных платах антенн, которым для эффективности необходима земляная плоскость. Здесь я выделю два простых примера:

1. Массивы патч-антенн
2. Слотовые или краевые излучатели

Обратите внимание, что вы можете придумать гораздо больше стилей антенн, которые не являются массивами патч-антенн или слотовыми/краевыми излучателями. Пока у вас есть высокочастотный симулятор (HFSS или openEMS для сторонников открытого кода), вы можете рассчитать радиационные характеристики вашей антенны.

Сначала рассмотрим патч-антенны и массивы патч-антенн. Одиночная патч-антенна по сути является открытым резонансным объемом над земляным экраном, и эти антенны излучают вокруг края патча. Когда они размещаются в массиве, микрополоска, соединяющая патчи в массиве, требует определенного значения импеданса для обеспечения высокой эффективности излучения. Поэтому нам нужна земля по двум причинам: для установления импеданса микрополоски и собственных мод (резонансных частот) антенны.

Далее, давайте посмотрим на щелевые и краевые излучатели. Они нечасто встречаются, но их легко спроектировать с помощью микрополоски, интегрированного в подложку волновода, копланарной полосковой линии с землей или даже щелевого волновода. В этом случае щелевая антенна на самом деле представляет собой вырез в земляной сети, и антенна функционирует, излучая через щель. Простым примером является антенна с микрополосковым соединением, показанная ниже; входная микрополоска контролируется по импедансу и требует заземления на L2.

Антенна с краевым излучением проста; достаточно разместить отверстие на краю структуры, которая направляет распространение. Ниже показан пример с интегрированным в подложку волноводом. Согласование граничных условий на краю может быть сложным, если вы не знаете, как решать дифференциальные уравнения, но это тема для другой статьи. Посмотрите на тестовую плату ниже, чтобы увидеть, как это может быть реализовано с интегрированным в подложку волноводом.

Поскольку иногда могут возникать трудности с расчетом рабочих условий для некоторых антенн, дизайнеры, скорее всего, будут придерживаться подхода, следуя референсному дизайну или примечанию к применению от производителя. Хотя я обычно советую людям быть осторожными с этими примечаниями, я скажу, что рекомендации по заземлению в области антенны, скорее всего, верны и стоит их следовать.

В следующий раз, когда вам нужно будет спроектировать вашу РЧ печатную плату с печатной пользовательской антенной и стратегией заземления, используйте полный набор инструментов для проектирования продуктов в Altium Designer®. Когда вы закончите свой проект, и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.Посмотрите на новейшие функции в Altium Designer.

Мы только начали осваивать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.