Thiết kế Ăng-ten F Đảo Ngược cho PCB

Anten in là một lựa chọn phổ biến cho các PCB RF vì chúng giữ được đặc tính thấp của một thiết bị phẳng. Nếu bạn nhìn vào một số MCU có khả năng Bluetooth/WiFi, bạn sẽ thấy một anten dạng F đảo ngược dọc theo cạnh bảng mạch để cung cấp Rx và Tx trong một kích thước nhỏ gọn. Trong bài viết này, tôi sẽ chỉ cách thiết kế một trong những anten này, bao gồm một số phương trình thiết kế, và nơi đặt những anten này để tối đa hóa hiệu quả bức xạ mà không gây nhiễu vào các mạch khác.

Tổng quan về Anten dạng F Đảo Ngược

Việc triển khai điển hình của một anten dạng F đảo ngược được hiển thị trong hình dưới đây. Loại anten này là một anten bốn phần tư bước sóng, nơi các thông số hoạt động (băng thông, trở kháng, v.v.) được thiết lập bằng cách điều chỉnh hình dạng dọc theo chân anten bốn phần tư bước sóng. Một cái nhìn tổng quan về một anten dạng F đảo ngược điển hình được hiển thị dưới đây.

Mặt phẳng GND trên L2 nên chạy sát mép của GND trên L1, và không nên có đổ đồng nào dưới ăng-ten. Điều này cho phép ăng-ten phát sóng gần như toàn hướng xung quanh chân dài của ăng-ten nơi dòng điện không bằng không. Mặc dù bức xạ là toàn hướng và được cung cấp bởi các trường mép, điều này giảm lợi ích mà người ta mong đợi từ loại ăng-ten này. Nhờ vào tính toàn hướng gần như tuyệt đối, những ăng-ten này trước đây là loại phổ biến nhất được sử dụng làm ăng-ten đơn băng tần hoặc đôi băng tần trong các điện thoại di động cũ.

Một biến thể của loại này là ăng-ten F đảo ngược meander, hay MIFA. ăng-ten này thường được thấy nhất trong mô-đun ESP8266, sử dụng MCU ESP32 nổi tiếng. ăng-ten meander nằm trên lớp trên cùng và bao gồm một đoạn zig-zag dài tạo thành phần sóng tứ phần của ăng-ten.

Cả hai loại ăng-ten này có thể được so sánh với ăng-ten vá, và ăng-ten F đảo ngược (hoặc các biến thể của nó) mang lại một số lợi ích so với ăng-ten vá cơ bản:

• Anten Inverted-F nhỏ hơn so với anten vá hoạt động ở cùng một bước sóng
• Anten Inverted-F có thể được cấp dẫn trực tiếp hoặc gián tiếp miễn là có mạng lưới khớp nối
• Anten Inverted-F có thể được làm đa băng tần bằng cách thêm nhiều nhánh
• Dải băng thông của anten Inverted-F có thể so sánh được, nhưng dải băng thông có thể được điều chỉnh dễ dàng hơn với các linh kiện bị động

Nhược điểm chính là độ lợi thấp hơn so với anten vá vì anten vá phát vào nửa mặt phẳng phía trên khu vực đất. Nhược điểm khác là bạn không thể tạo thành các nhóm anten Inverted-F như bạn làm với mảng anten vá. Do đó, đối với các hệ thống anten tiên tiến hơn, anten vá đã chiếm ưu thế.

Phương Trình Thiết Kế Anten Inverted-F

Thật không may, không có phương trình thiết kế cho anten Inverted-F do cấu trúc phức tạp thường thấy của nó. Tuy nhiên, vì nó được xây dựng từ các đường truyền, chúng ta có thể áp dụng cách tiếp cận dựa trên mạch để tính toán trở kháng đầu vào cho một chiều rộng microstrip nhất định.

Trước tiên, nhà thiết kế có tự do lựa chọn trở kháng microstrip để sử dụng trong thiết kế ăng-ten dạng F đảo ngược. Không có yêu cầu nghiêm ngặt nào về chiều rộng cụ thể của microstrip, nhưng cần lưu ý rằng trở kháng có thể rất lớn, thậm chí vượt qua giá trị trở kháng sóng truyền trong chân không hoặc điện mô.

Mặc dù trở kháng đặc trưng của các đoạn mạch khó xác định, nhưng hằng số truyền và tổng chiều dài ăng-ten dễ dàng xác định dựa trên mục tiêu bước sóng một phần tư và tần số mục tiêu:

Một khi hằng số truyền được biết, trở kháng đầu vào vào ăng-ten có thể được tính toán với một mô hình mạch miễn là trở kháng đường dẫn được biết. Mô hình mạch dưới đây cho thấy hai nhánh trong bố cục ăng-ten dạng F đảo ngược tiêu chuẩn, nơi một chân được nối tắt (Z1 = 0 Ohm) và chân kia mở (Z2 = vô cùng).

Nếu bạn đặt hai chân này song song và sử dụng phương trình trở kháng đầu vào tiêu chuẩn cho mỗi chân, bạn sẽ tìm thấy kết quả sau đây cho trở kháng đầu vào của ăng-ten:

Một khi trở kháng đầu vào được biết, nó sau đó có thể được khớp với đường dẫn ăng-ten bằng một mạng lưới khớp trở kháng LC.

Thành phần hay Điền Đồng?

Khi làm việc với phần mềm thiết kế bản mạch in (PCB) của bạn, bạn có nên tạo ăng-ten dạng F đảo ngược như một thành phần hay như các khu vực điền đồng? Có những lý do tốt để làm cả hai, và bạn sẽ nhận được kết quả giống nhau trong mỗi trường hợp. Cá nhân tôi, tôi thích sử dụng một thành phần để tạo ăng-ten dạng F đảo ngược, nhưng điều này phải được thực hiện để phù hợp với độ dày lớp ngoài cụ thể và giá trị Dk.

Để tạo một ăng-ten dạng F đảo ngược như một thành phần, đặt từng phần tử đồng trong ăng-ten như đổ trong dấu chân thành phần. Một khi ăng-ten được đặt vào trong bố cục PCB, việc di chuyển và xoay ăng-ten sẽ dễ dàng hơn. Hãy chắc chắn định nghĩa thành phần như một Net Tie để ngăn chặn bất kỳ lỗi mạch ngắn nào và tránh câu hỏi từ nhà sản xuất của bạn. Nhược điểm của điều này là, nếu có bất kỳ cập nhật nào cần được thực hiện cho ăng-ten, những cập nhật này cần được thực hiện cho dấu chân, và sau đó dấu chân cần được cập nhật trong bố cục PCB.

Để hoàn thành linh kiện này, đặt một pad đơn như một đầu vào tại điểm nhập của đường cấp nguồn trên ăng-ten sao cho phù hợp với chân trên biểu tượng sơ đồ. Sau đó, kết nối linh kiện trong sơ đồ giống như bạn làm với các linh kiện khác. Khi các linh kiện được cập nhật vào PCB, hình dạng ăng-ten dạng F đảo ngược sẽ xuất hiện, và nó có thể được đặt và định tuyến giống như các linh kiện khác.

Bất cứ khi nào bạn cần vẽ và đặt một ăng-ten dạng F đảo ngược trong bố trí PCB của mình, hãy sử dụng công cụ CAD 2D và 3D trong Altium Designer®. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ dự án của mình.

Chúng tôi chỉ mới 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 ngày hôm nay.