Tất cả các ăng-ten đều cần một mặt phẳng nối đất không?

Một trong những câu hỏi phổ biến mà tôi đã thấy được đặt ra, cả về thiết kế PCB lẫn về hệ thống RF nói chung, liên quan đến việc sử dụng mặt đất gần anten. Như tôi đã chi tiết trong các bài viết khác, và thực sự là điều được biết đến rộng rãi, một dẫn điện nối đất chung thường cung cấp một số sự che chắn chống lại sóng điện từ mà nếu không sẽ lan truyền vào vật liệu. Thực tế, dẫn điện không cần phải kết nối trực tiếp với mặt đất (trái đất), nó chỉ cần đủ lớn để hành động như một nguồn/nhận lượng điện tích dư thừa mạnh mẽ để trung hòa sóng đến.

Dù chúng ta đang nói về EMI hay tiếng ồn phát sinh từ một kết nối gần đó, hay chúng ta đang nói về một bộ phát lớn trên PCB, hiệu ứng của mặt đất có thể giống nhau và sự hiện diện của mặt đất gần anten sẽ ảnh hưởng đến đặc tính bức xạ của bộ phát. Câu trả lời đơn giản cho câu hỏi "anten có cần một mặt đất phẳng không" là "tùy thuộc;" Tôi sẽ giải thích lý do trong bài viết này.

Cách Mặt Đất Ảnh Hưởng Đến Bức Xạ

Không phải tất cả anten đều cần một mặt đất phẳng. Một số anten được thiết kế trên một mặt đất phẳng để tạo ra một mẫu bức xạ cụ thể, kiểm soát trở kháng đầu vào của anten, hoặc vì lý do thực tiễn trong việc triển khai.

Về mặt điện, chức năng của một mặt đất dưới ăng-ten là tạo ra một bộ phát ảnh trong khu vực mặt đất. Điều này được sử dụng để thỏa mãn các điều kiện ranh giới điện từ, nơi mà trường điện sẽ kết thúc bằng không tại mặt đất. Một ăng-ten đặt trên mặt đất chỉ sẽ phát vào khu vực phía trên mặt đất. Điều này sẽ xác định mẫu bức xạ mà có thể thấy từ ăng-ten.
Một ví dụ về mẫu bức xạ từ một ăng-ten vá nhỏ được hiển thị dưới đây. Trong ví dụ này, ăng-ten vá tuân theo các hướng dẫn tiêu chuẩn và được đặt trên một mặt đất. Như chúng ta có thể thấy, sự phát xạ chỉ vào khu vực phía trên ăng-ten.

Về mặt lý thuyết, điều này nên được mong đợi, và nó xảy ra bởi vì mặt đất hoạt động như một bộ phát cùng độ lớn, cực đối diện mà chồng chất bức xạ của nó lên ăng-ten. Mặt đất cơ bản phản xạ bức xạ từ mặt đất dẫn điện, vì vậy bất kỳ bức xạ nào di chuyển về phía mặt đất sẽ được phản xạ và sẽ ở lại trong khu vực phía trên mặt đất.

Với tất cả những điều này trong tâm trí, có các ăng-ten in có thể được đặt trong một PCB như một yếu tố in và không yêu cầu mặt đất. Những cái này thường là các ăng-ten dấu vết, như một ăng-ten F đảo ngược hoặc một ăng-ten dấu vết bốn phần tư sóng.

Nếu bạn xem các thiết kế tham khảo hoặc một số hướng dẫn trực tuyến khác, bạn thường thấy chúng được thiết kế trên một khu vực trên PCB nơi mà mặt đất đã được hoàn toàn loại bỏ. Ý tưởng là để cho phép ăng-ten phát sóng ra mọi hướng. Tuy nhiên, các ăng-ten khác phải có mặt đất ngay bên dưới chúng để kỹ sư có thể thiết kế mẫu bức xạ mong muốn.

Một số ăng-ten phải có mặt đất

Khi chúng ta rời bỏ các ăng-ten đơn cực, đôi cực và vòng, chúng ta có thể thấy một số ví dụ về ăng-ten trên PCB phải có một mặt đất để có hiệu quả. Có hai ví dụ đơn giản tôi sẽ nêu ở đây:

1. Mảng ăng-ten vá
2. Phát sóng từ mép hoặc khe

Lưu ý rằng có nhiều kiểu ăng-ten khác bạn có thể nghĩ ra không phải là mảng vá hoặc phát sóng từ mép/khe. Miễn là bạn có một bộ mô phỏng tần số cao (HFSS hoặc openEMS cho cộng đồng mã nguồn mở), bạn có thể tính toán được đặc tính bức xạ của ăng-ten của mình.

Đầu tiên, hãy xem xét ăng-ten vá và mảng ăng-ten vá. Một ăng-ten vá đơn lẻ cơ bản là một khoang cộng hưởng mở trên một mặt đất phẳng, và những ăng-ten này phát xạ xung quanh cạnh của vá. Khi được đặt vào một mảng, microstrip kết nối với các vá trong mảng yêu cầu một giá trị trở kháng cụ thể để đảm bảo hiệu quả bức xạ cao. Do đó, chúng ta cần mặt đất vì hai lý do: để thiết lập trở kháng microstrip và các chế độ riêng của ăng-ten (tần số cộng hưởng).

Tiếp theo, hãy xem xét các bộ phát khe và cạnh. Chúng không phổ biến nhưng dễ dàng thiết kế với microstrip, dẫn sóng tích hợp trên bản mạch, dải coplanar với mặt đất, hoặc thậm chí là một dẫn sóng khe. Trong trường hợp này, ăng-ten khe thực sự là một lỗ cắt trong lưới mặt đất, và ăng-ten hoạt động bằng cách phát xạ qua khe. Một ví dụ đơn giản là ăng-ten khe ghép microstrip được hiển thị bên dưới; microstrip đầu vào được kiểm soát trở kháng và cần mặt đất trên L2.

Một ăng-ten phát sóng từ cạnh là đơn giản; chỉ cần đặt một lỗ mở ở cạnh của cấu trúc hướng dẫn sự truyền sóng. Một ví dụ với sóng dẫn tích hợp trên nền là được hiển thị dưới đây. Việc khớp điều kiện biên ở cạnh có thể khó khăn nếu bạn không biết cách giải các phương trình vi phân, nhưng đó là chủ đề cho một bài viết khác. Hãy xem bảng thử nghiệm dưới đây để xem làm thế nào điều này có thể được thực hiện với một sóng dẫn tích hợp trên nền.

Do đôi khi có khó khăn trong việc tính toán điều kiện hoạt động cho một số ăng-ten, các nhà thiết kế có thể sẽ chọn cách tiếp cận bằng cách theo dõi một thiết kế tham khảo hoặc ghi chú ứng dụng của nhà sản xuất. Mặc dù tôi thường nói với mọi người phải cẩn thận với những ghi chú này, tôi sẽ nói rằng các hướng dẫn về mặt đất trong khu vực ăng-ten rất có thể là chính xác và đáng để tuân theo.

Lần tới khi bạn cần thiết kế PCB RF của mình với một ăng-ten tùy chỉnh in và một chiến lược tiếp địa, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế sản phẩm đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình và bạn muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ các dự án của mình. Hãy đến xem các tính năng mới nhất được phát hành trong Altium Designer.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.