Антенна перевернутая F

Антенна перевернутой F в DECT (технология, используемая для беспроводных телефонов и подобных устройств). базовой станции

Антенна с перевернутой F — это тип антенны , используемый в беспроводной связи , в основном на УВЧ и СВЧ частотах . Он состоит из несимметричной антенны , расположенной параллельно плоскости заземления и заземленной на одном конце. Питание антенны осуществляется из промежуточной точки на расстоянии от заземленного конца. Эта конструкция имеет два преимущества по сравнению с простым монополем: антенна короче и компактнее, что позволяет разместить ее внутри корпуса мобильного устройства, а также ее полное сопротивление может быть согласовано разработчиком с цепью питания, что позволяет ей излучать мощность. эффективно, без необходимости использования посторонних соответствующих компонентов.

Антенна с перевернутой буквой F была впервые задумана в 1950-х годах как антенна с изогнутой проволокой. Однако наиболее широкое распространение она получила в качестве планарной антенны с перевернутой F-образной антенной ( PIFA ) в мобильных беспроводных устройствах из-за ее компактных свойств. PIFA можно печатать с использованием формата микрополосок — широко используемой технологии, которая позволяет печатные радиочастотные изготавливать компоненты как часть той же печатной платы, которая используется для монтажа других компонентов.

PIFA — это вариант патч-антенны . Существует множество вариантов этой и других форм перевернутой буквы F, которые реализуют широкополосные или многодиапазонные антенны. Методы включают связанные резонаторы и добавление щелей.

Эволюция и история

Четвертьволновой монополь B, B четвертьволновой монополь с промежуточным питанием, C антенна с перевернутой L, D антенна с перевернутой F

Антенна с перевернутой буквой F представляет собой развитие широко используемой четвертьволновой монопольной антенны , которая состоит из проводящего стержня, установленного перпендикулярно над проводящей заземляющей пластиной , питаемой от его основания. Проволочная антенна F-типа была изобретена в 1940-х годах. В этой антенне фидер подключен к промежуточной точке по длине антенны, а не к основанию, а основание антенны соединено с заземляющим слоем. Преимущество этого заключается в том, что входное сопротивление антенны зависит от расстояния точки питания от заземленного конца. Часть антенны между точкой питания и плоскостью заземления по существу ведет себя как шлейф короткого замыкания . Таким образом, разработчик может согласовать антенну с сопротивлением фидерной линии, задав положение точки питания вдоль антенного элемента.

Антенна перевернутой L представляет собой несимметричную антенну, изогнутую так, чтобы работать параллельно плоскости земли. Его преимуществом является компактность и меньшая длина, чем у ${\tfrac {1}{4}}\lambda$ монополь, но недостатком является очень низкий импеданс, обычно всего несколько Ом при питании от базы, в то время как база питается ${\tfrac {1}{4}}\lambda$ монополь имеет сопротивление 36,5 Ом. Антенна с перевернутой F сочетает в себе преимущества обеих этих антенн; он обладает компактностью перевернутой буквы L и способностью согласовывать полное сопротивление цепи питания (часто 50 Ом на печатной схеме), как и F-тип.

Антенна с перевернутой буквой F была впервые предложена в 1958 году группой из Гарварда под руководством Рональда У.П. Кинга . Антенна Кинга имела проволочную форму и предназначалась для использования в ракетах для телеметрии .

Планарная реализация

A: печатная антенна с перевернутой F, B: извилистая печатная антенна с перевернутой F: C: патч-антенна: D: Плоская антенна с перевернутой F (PIFA)

	Плата без заземления		Плата с заземлением
	Штифт питания антенны		Заземляющий контакт

Планарная антенна с перевернутой F-антенной (PIFA) используется для беспроводной схемы, реализованной в микрополосковой схеме . Формат микрополосков является предпочтительным форматом для современной радиочастотной электроники. Его можно использовать для реализации необходимых радиочастотных компонентов с распределенными элементами, таких как фильтры , и в то же время он является экономичным, поскольку используются те же методы массового производства, что и для печатных плат .

Напечатанная антенна в виде перевернутой буквы F может быть реализована в классической форме в форме перевернутой буквы, обычно на одной стороне печатной платы, где земляная пластина удалена из-под антенны. Однако другой подход — это модифицированная патч-антенна , закороченная патч-антенна . При таком подходе один край патча или некоторая промежуточная точка заземляется с помощью заземляющих штырей или переходных отверстий до заземляющей плоскости. Это работает по тому же принципу, что и перевернутая буква F; если смотреть сбоку, видна F-образная форма, просто антенный элемент очень широкий в горизонтальной плоскости. Закороченная патч-антенна имеет более широкую полосу пропускания , чем антенна с тонкой линией, из-за большей площади излучения. Как и в случае с тонкой линией, закороченную патч-антенну можно напечатать на той же печатной плате, что и остальную схему. Однако обычно они печатаются на отдельной плате или на диэлектрике, прикрепленном к основной плате. Это делается для того, чтобы антенна могла быть подвешена и эффективно находилась в воздушном диэлектрике, находясь на большем расстоянии от плоскости земли, чем это было бы в противном случае, или чтобы используемый диэлектрик был более подходящим материалом для радиочастотных характеристик.

Термин PIFA зарезервирован многими авторами (например, Санчес-Эрнандес ) для короткозамкнутой патч-антенны, где антенный элемент широкий, а земляной слой находится под ним. Антенны перевернутого F-образного типа с тонкой линией с заземленной плоскостью с одной стороны, как A и B на схеме, называются просто IFA, даже если они имеют планарный формат. Автор может даже назвать IFA этого типа печатной антенной с перевернутой F-образной антенной, но при этом зарезервировать PIFA для типа короткозамкнутого патча (например, Hall and Wang. )

Обычной конфигурацией короткозамкнутой патч-антенны является размещение закорачивающего штыря как можно ближе к одному углу, при этом фидерный штырь относительно близко к закорачивающему штырю. В этой конфигурации резонансная частота примерно равна

$f_{0}={\frac {c}{4(w+b){\sqrt {\varepsilon }}_{\mathrm {r} }}}$

где

f ₀ — резонансная частота

w , b — ширина и ширина патча

с - скорость света

ε _r – диэлектрическая проницаемость подложки.

Эта формула справедлива только в том случае, если на антенну не влияют близлежащие диэлектрики, например корпус устройства.

Другой вариант, с которым можно столкнуться, — это извилистая антенна с перевернутой F-образной формой (MIFA). Если на плате недостаточно места для удлинения антенны на всю необходимую длину, антенну можно изогнуть, чтобы уменьшить ее высоту, сохраняя при этом расчетную электрическую длину. Это можно сравнить со скручиванием антенны в виде резиновой антенны-уточки .

Антенны Inverted-F имеют узкую полосу пропускания. Более широкой полосы пропускания можно добиться за счет удлинения антенны, что увеличивает ее радиационную стойкость . Другое решение — разместить две антенны в непосредственной близости. Это работает, потому что полоса пропускания связанных резонаторов шире, чем полоса пропускания любого резонатора в отдельности. Большинство методов изготовления многодиапазонных антенн также эффективны для расширения полосы пропускания.

Многодиапазонные антенны

Двухдиапазонная напечатанная антенна перевернутой F из приложения PC Card , обеспечивающая контроллер сетевого интерфейса в диапазонах 2,4 ГГц и 5,2 ГГц.

Потребность в многодиапазонных антеннах возникает в случае мобильных устройств, которым необходимо перемещаться между странами и сетями, где используемые полосы частот часто могут различаться. Возможно, это самая концептуально простая конструкция, о которой впервые сообщалось в 1997 году. заключается в размещении двух патч-антенн PIFA одна внутри другой. Другой метод заключается в вставке в заплатку одной или нескольких ответвленных линий , что приводит к расширению полосы связанными резонаторами. Другие методы основаны на создании нескольких режимов , что обеспечивает более компактную конструкцию. Примерами этого являются шаблон C-щелей, который аналогичен шаблону встречно-штыревого фильтра , и сильно извилистый шаблон, показанный на диаграмме как C и D соответственно.

Многодиапазонные конструкции PIFA, A : вложенные патч-антенны PIFA, B : патч-антенна PIFA с двумя ответвленными линиями, образующими трехдиапазонную антенну, C : аналогичная трехдиапазонная антенна с C-пазами, D : плотно извилистая перевернутая F-F

Приложения

Антенны Inverted-F широко используются в компактных портативных беспроводных устройствах, где пространство ограничено. Сюда входят мобильные телефоны и планшетные компьютеры, использующие беспроводную передачу данных, например GSM , Bluetooth и Wi-Fi . Плоская антенна в форме перевернутой буквы F является наиболее часто используемой внутренней антенной в мобильных телефонах.

Эти антенны также используются для телематики транспортных средств . Производители автомобилей предпочитают использовать антенны, повторяющие контуры автомобиля из соображений стиля и аэродинамики. Многодиапазонные PIFA можно использовать для объединения антенных каналов мобильного телефона, спутниковой навигации и автомобильного радио .

Эти антенны использовались для телеметрии на военных полигонах, в том числе для поддержки стандартов Inter-Range Instrumentation Group .

Двухдиапазонный PIFA R-образной формы предложен для использования на военной технике. Охватываемые полосы составляют 225 МГц и 450 МГц. Эти частоты находятся в том же соотношении, что и диапазоны GSM мобильных телефонов: 900 МГц и 1,8 ГГц, поэтому конструкцию можно было бы использовать и для этого приложения, если бы размеры были уменьшены до нужного размера.

Библиография

• Али, М.; Гуанли Ян; Хуан-Шенг Хван; Ситтироннарит, Т., «Проектирование и анализ R-образной двухдиапазонной планарной антенны с перевернутой F-образной антенной для автомобильных применений» , IEEE Transactions on Vehicle Technology , vol. 53, вып. 1, стр. 29–37, январь 2004 г.
• Бартон, «Носовой конус Inverted-F (IFA) для телеметрии S-диапазона» , DTIC, 2017 г.
• Коэн, Н., Применения фрактальных антенн в беспроводной телекоммуникации» , Proceedings Programme: Electronics Forum of New England, 1997 , стр. 43–49, 6–8 мая 1997 г., IEEE. ISBN   0780339878 .
• Холл, Питер С.; Ли, Э.; Сонг, CTP, «Плоские антенны с перевернутой F», стр. 197–227, в Уотерхаус, Род (редактор), Печатные антенны для беспроводной связи , John Wiley & Sons, 2008 г. ISBN   0470512253 .
• Холл, Питер С.; Ян Хао, Антенны и распространение телесно-ориентированной беспроводной связи , 2-е изд., Artech House, 2012 г. ISBN   1608073769 .
• Кервел, Фредрик, инвертированная F-антенна на 868, 915 и 955 МГц , Texas Instruments, примечания к проектированию DN023, 30 сентября 2011 г.
• Кин-Лу Вонг, Йен-Ю Чен, Сау-Вэнь Су, Йен-Лян Куо, «Двухдиапазонная плоская антенна с инвертированным F-разнесением для работы в WLAN» , Microwave and Optical Technology Letters , vol. 38, вып. 3, стр. 223–225, 5 августа 2003 г.
• Кинг, Рональд В.П.; Харрисон, CW-младший; Дентон, Д.Х.-младший, «Ракетные антенны линий электропередачи», Технический меморандум Sandia Corp 436-58, том. 14 ноября 1958 г.
• Кинг, Рональд В.П.; Харрисон, CW-младший; Дентон, Д.Х. младший, «Ракетные антенны линий электропередачи» , IRE Transactions on Antennas and Propagation , vol. 8, вып. 1, стр. 88–90, январь 1960 г.
• Лю, ЗД; Холл, PS; Уэйк, Д., «Двухчастотная плоская инвертированная F-антенна» , IEEE Transactions on Antennas and Propagation , vol. 45, вып. 10, стр. 1451–1458, октябрь 1997 г.
• Петоза, Альдо, Антенны с перестройкой частоты для беспроводной связи , Artech House, 2013 г. ISBN   1608077691 .
• Прасад, Шила; Кинг, Рональд В.П., «Экспериментальное исследование перевернутых L-, T- и связанных с ними передающих антенн» , Журнал исследований Национального бюро стандартов , том. 65, нет. 5, стр. 449–454, сентябрь – октябрь 1961 г.
• Санчес-Эрнандес, Дэвид А., Многодиапазонные интегрированные антенны для терминалов 4G , Artech House, 2008 г. ISBN   1596933984 .
• Уотерхаус, Род; Новак, Далма , «Беспроводные системы и печатные антенны», стр. 1–36, в Уотерхаус, Род (редактор), Печатные антенны для беспроводной связи , John Wiley & Sons, 2008 г. ISBN   0470512253 .
• Ярман, Бинбога Сиддик, Проектирование сверхширокополосных сетей согласования антенн , Springer, 2008 г. ISBN   1402084188 .