Дизайн инвертированной F-антенны для печатной платы

Закарайа Петерсон
|  Создано: 24 Февраля, 2023  |  Обновлено: 29 Октября, 2024
Инвертированная F-антенна

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.

inverted F antenna

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.

ESP8266 PCB meandered inverted F antenna

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.

Part Insights Experience

Access critical supply chain intelligence as you design.

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:

inverted F antenna

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).

inverted F antenna circuit model

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

Component Management Made Easy

Manage your components, get real-time supply chain data, access millions of ready-to-use parts.

inverted-F input impedance

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.

inverted F antenna Altium
Отпечаток компонента антенны типа "инвертированный F", созданный с использованием медных заливок. Контактные площадки назначены на две ножки антенны.

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.

Простое управление компонентами

Управляйте компонентами, получайте данные о цепочке поставок в режиме реального времени и доступ к миллионам готовых к использованию компонентов.

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

Об авторе

Об авторе

Закарайа Петерсон (Zachariah Peterson) имеет обширный технический опыт в научных кругах и промышленности. До работы в индустрии печатных плат преподавал в Портлендском государственном университете. Проводил магистерское исследование на хемосорбционных газовых датчиках, кандидатское исследование – по теории случайной лазерной генерации. Имеет опыт научных исследований в области лазеров наночастиц, электронных и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, систем защиты окружающей среды и финансовой аналитики. Его работа была опубликована в нескольких рецензируемых журналах и материалах конференций, и он написал сотни технических статей блогов по проектированию печатных плат для множества компаний.

Связанные ресурсы

Связанная техническая документация

Вернуться на главную
Thank you, you are now subscribed to updates.
Altium Need Help?