Дизайн инвертированной F-антенны для печатной платы

Печатные антенны являются очень популярным вариантом для РЧ печатных плат, поскольку они сохраняют низкий профиль планарного устройства. Если вы посмотрите на некоторые МКУ, способные работать с Bluetooth/WiFi, вы, скорее всего, увидите инвертированную F-антенну вдоль края платы для обеспечения приема и передачи в компактном форм-факторе. В этой статье я покажу, как спроектировать одну из таких антенн, включая некоторые расчетные формулы, и где разместить эти антенны для максимальной эффективности излучения без интерференции с другими цепями.

Обзор инвертированной F-антенны

Типичная реализация инвертированной F-антенны показана на изображении ниже. Этот тип антенны является антенной четвертьволновой длины, где рабочие параметры (полоса пропускания, импеданс и т. д.) устанавливаются путем корректировки геометрии вдоль четвертьволновой ноги антенны. Ниже показан обзор типичной инвертированной F-антенны.

Плоскость GND на L2 должна доходить прямо до края GND на L1, и под антенной не должно быть медного залива. Это позволяет антенне излучать почти всенаправленно вокруг более длинной ноги антенны, где ток не равен нулю. Хотя излучение является всенаправленным и обеспечивается краевыми полями, это снижает усиление, которого можно было бы ожидать от этого типа антенны. Благодаря их почти всенаправленности, эти антенны ранее были наиболее популярны для использования в качестве однополосных или двухполосных антенн в старых мобильных телефонах.

Одним из вариантов является меандровая инвертированная антенна F, или MIFA. Эта антенна наиболее часто встречается в модуле ESP8266, который использует известный MCU ESP32. Меандровая антенна расположена на верхнем слое и включает в себя длинный зигзагообразный сегмент, составляющий четвертьволновой участок антенны.

Обе эти антенны можно сравнить с патч-антеннами, и инвертированная антенна F (или ее варианты) предлагают несколько преимуществ перед базовой патч-антенной:

• Инвертированные F-антенны меньше, чем патч-антенны, работающие на той же длине волны
• Инвертированные F-антенны могут быть подключены через зонд или напрямую, при условии наличия согласующей сети
• Инвертированные F-антенны могут быть выполнены многодиапазонными за счет добавления дополнительных ветвей
• Полосы пропускания инвертированных F-антенн сопоставимы, но полосы пропускания могут быть более легко настроены с помощью пассивных элементов

Основным недостатком является более низкое усиление по сравнению с патч-антенной, поскольку патч-антенны излучают в полуплоскость над земляной областью. Другим недостатком является то, что вы не можете формировать группы инвертированных F-антенн, как это возможно с массивом патч-антенн. Поэтому для более продвинутых антенных систем доминируют патч-антенны.

Уравнения проектирования инвертированных F-антенн

К сожалению, для инвертированной F-антенны нет уравнений проектирования из-за ее обычно сложной структуры. Однако, поскольку она построена из линий передачи, мы можем принять схемный подход к расчету входного импеданса для данной ширины микрополоски.

Во-первых, у дизайнера есть свобода выбора импеданса микрополоски, который будет использоваться в конструкции антенны с инвертированным F. Нет строгих требований к определенной ширине микрополоски, но следует отметить, что импеданс может быть очень большим, даже превышающим значения импеданса распространяющейся волны в вакууме или диэлектриках.

Хотя определить характеристический импеданс участков трассы сложно, определить постоянную распространения и общую длину антенны легко, исходя из цели по четверти длины волны и целевой частоты:

Как только постоянная распространения становится известной, входной импеданс антенны может быть рассчитан с помощью модели схемы, при условии, что известен импеданс трассы. Модель схемы ниже показывает две ветви в стандартной конфигурации антенны с инвертированным F, где одна нога замкнута накоротко (Z1 = 0 Ом), а другая нога разомкнута (Z2 = бесконечность).

Если вы соедините эти две ноги параллельно и используете стандартное уравнение входного импеданса для каждой ноги, вы получите следующий результат для входного импеданса антенны:

Как только входной импеданс становится известен, его можно согласовать с питающей линией антенны с помощью сети согласования импеданса на LC-элементах.

Компонент или заполнение медью?

При работе в программном обеспечении для разработки печатных плат, следует ли создавать антенну типа "инвертированный F" как компонент или как области заливки медью? Есть веские причины делать и то, и другое, и в любом случае результат будет одинаковым. Лично я предпочитаю использовать компонент для создания антенны типа "инвертированный F", но это должно быть выполнено с учетом конкретной толщины внешнего слоя и значения Dk.

Чтобы создать антенну типа "инвертированный F" как компонент, разместите каждый из медных элементов антенны как заливку в контуре компонента. После размещения антенны на плате её будет легче перемещать и вращать. Убедитесь, что вы определили компонент как Net Tie, чтобы предотвратить ошибки короткого замыкания и избежать вопросов от вашего производителя. Недостаток этого заключается в том, что если потребуются какие-либо обновления антенны, их нужно будет внести в контур, а затем обновить контур в разметке печатной платы.

Чтобы завершить этот компонент, разместите один контактный площадок в качестве входа на линии подачи антенны, который соответствует контакту на схематическом символе. Затем подключите компонент в схеме, как вы это делаете с другими компонентами. После обновления компонентов на печатной плате появится отпечаток антенны типа "инвертированный F", и его можно будет разместить и проложить трассы, как и для других компонентов.

Когда вам нужно нарисовать и разместить антенну типа "инвертированный F" на вашей плате, используйте 2D и 3D CAD инструменты в Altium Designer®. Когда вы закончите проектирование и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упростит сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.